11.RAII and smart pointer

一、资源管理与RAII原则

在C++编程中，资源泄漏是一个常见问题，尤其是在异常发生时。为了确保资源总是被正确释放，C++引入了RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则。

1.1 RAII原则

RAII是一种资源管理模型，确保使用对象自动管理资源。按照RAII原则，资源在对象构造时获取，在对象析构时释放。这样可以保证即使在发生异常的情况下资源也能被正确释放。

更直观的名字是CADRE（Constructor Acquires, Destructor Releases），强调构造函数获取资源，析构函数释放资源的概念。

1.2 为什么使用RAII？

• 对象在创建后立即可用，无需额外的初始化步骤。
• 对象永远不处于半有效状态，要么完全管理其资源，要么在异常发生时自动释放资源。
• 析构函数总是在对象离开作用域时调用，因此资源总会被释放。

1.3 RAII的实践

以下几种都会出现RAII问题：

文件操作示例

不遵循RAII原则的代码示例与遵循RAII原则的代码示例对比：

// 不遵循RAII
void printFile() {
    ifstream input;
    input.open("hamlet.txt");
    string line;
    while (getline(input, line)) {
        cout << line << endl;
    }
    input.close();
}

// 遵循RAII
void printFile() {
    ifstream input("hamlet.txt");
    string line;
    while (getline(input, line)) {
        cout << line << endl;
    }
    // 不需要调用close，ifstream的析构函数会自动关闭文件
}

锁的管理示例

使用lock_guard自动管理互斥锁，避免忘记释放锁或异常导致锁未释放：

// 不遵循RAII
void cleanDatabase(mutex &databaseLock, map<int, int> &database) {
    databaseLock.lock();
    // 修改数据库
    databaseLock.unlock();
}

// 遵循RAII
void cleanDatabase(mutex &databaseLock, map<int, int> &database) {
    lock_guard<mutex> lock(databaseLock);
    // 修改数据库，即使发生异常也不需要手动解锁
}

lock_guard的简化实现：

class lock_guard {
public:
    explicit lock_guard(mutex &lock) : acquired_lock(lock) { acquired_lock.lock(); }
    ~lock_guard() { acquired_lock.unlock(); }
private:
    mutex &acquired_lock;
};

二、RAII 和智能指针

2.1 非RAII示例

使用原始指针管理内存，存在异常时资源泄露风险：

void rawPtrFn() {
    Node* n = new Node;
    // 若异常抛出，n所指向的内存将不会被释放
    delete n;
}

2.2 C++中的智能指针

C++提供了几种“智能”指针来自动管理资源，遵循RAII原则：

• std::unique_ptr：独占所指资源，不可复制，但可以移动。
• std::shared_ptr：共享所指资源，可复制，引用计数为零时释放资源。
• std::weak_ptr：不拥有资源，用于解决std::shared_ptr间的循环引用问题。

2.3 std::unique_ptr

std::unique_ptr独占其所指向的资源，并在析构时释放该资源。它不能被复制，防止多个指针同时管理同一资源。

void useUniquePtr() {
    std::unique_ptr<Node> n(new Node);
    // 使用n
} // n所指向的Node对象在此处被自动释放

尝试复制std::unique_ptr会导致编译错误，因为其复制构造函数和复制赋值操作符被删除。

假设可以复制std::unique_ptr，会导致的错误：

1.make a unique ptr

2.make a copy of this pointer

3.y goes out of scope

4.crash

2.4 std::shared_ptr

std::shared_ptr允许多个指针共享对同一资源的拥有权。当最后一个shared_ptr被销毁时，资源才会被释放。

{
    std::shared_ptr<int> p1(new int);
    {
        std::shared_ptr<int> p2 = p1;
        // p1 和 p2 均有效
    }
    // 仅p1有效
}
// 此处p1被销毁，其所指资源被释放

2.5 std::weak_ptr

std::weak_ptr用于指向std::shared_ptr管理的对象，但不影响对象的引用计数。它主要用于解决std::shared_ptr之间的循环引用问题。

2.6 智能指针创建函数

推荐使用标准库提供的智能指针创建函数，因为它们可以更安全地分配资源，并减少代码中的裸new操作。

• std::make_unique<T>(args...)：创建std::unique_ptr。
• std::make_shared<T>(args...)：创建std::shared_ptr。

std::unique_ptr<T> up = std::make_unique<T>();
std::shared_ptr<T> sp = std::make_shared<T>();

总是优先使用std::make_unique()和std::make_shared()创建智能指针，它们不仅提供了类型安全和异常安全保证，还可以简化代码并提高可读性。