C++ RAII初探+析构函数-51CTO.COM

前言

早期编写的C++是有缺陷的，举些例子。比如裸指针满天飞，多线程的数据竞争，双重释放等等。但如今的C++正在努力改善这些缺陷，RAII范式的编程在C++比重逐步增加。RAII(Resource Acquisition Is Initialization)是C++之父Bjarne Stroustrup在设计C++的时候就引入了。即：资源获取即初始化。通俗点，在对象创建的时候获取资源，在对象销毁的时候释放资源。确保内存的安全性。指针shared_ptr就是其中的杰作，下面也会讲到。

本篇除了RAII之外，还会分析下其析构函数的关联。代码部分，经过C++20测试，均可跑通，可直接用。

RAII操作例子

一个非常简单的RAII操作，我们初始化对象的时候打开了文件资源。然后在离开对象的作用域的时候，会调用析构函数释放(关闭)文件资源，例子如下：

//filename:RAII.c
//compile:g++ -g -static -o RAII RAII.c


#include <iostream>
#include <memory>


class File {
public:
    File(const std::string& filename) {
        // 在构造函数中打开文件
        std::cout << "Opening file: " << filename << std::endl;
        file_ = fopen(filename.c_str(), "r");
        if (!file_) {
            throw std::runtime_error("Failed to open file");
        }
    }


    ~File() {
        // 在析构函数中关闭文件
        if (file_) {
            std::cout << "Closing file." << std::endl;
            fclose(file_);
        }
    }


private:
    FILE* file_;
};


int main() {
    try {
        // 创建 File 对象，RAII 确保文件在生命周期结束时自动关闭
        File f("example.txt");


        
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << e.what() << std::endl;
    }


    
    return 0;
}

File对象的构造函数里面打开文件，上面代码运行的结果如下：

图片

在File对象f离开作用域也即是try块的结尾大括号处，会调用析构函数，关闭文件。

关于这点我们lldb验证下，且简略分析下其原理。在~File()析构函数下断，其堆栈是在RAII.c:36也即是try块大括号结尾的地方调用了析构函数。

如下：

(lldb) b ~File()
Breakpoint 2: where = RAII`File::~File() + 16 at RAII.c:17:13, address = 0x000000000040582c
(lldb) r&c
Process 4510 resuming
Opening file: example.txt
Process 4510 stopped
* thread #1, name = 'RAII', stop reason = breakpoint 2.1
    frame #0: 0x000000000040582c RAII`File::~File(this=0x00007fffffffe208) at RAII.c:17:13
   14
   15       ~File() {
   16           // 在析构函数中关闭文件
-> 17           if (file_) {
   18               std::cout << "Closing file." << std::endl;
   19               fclose(file_);
   20           }
(lldb) bt
* thread #1, name = 'RAII', stop reason = breakpoint 2.1
  * frame #0: 0x000000000040582c RAII`File::~File(this=0x00007fffffffe208) at RAII.c:17:13
    frame #1: 0x00000000004055ef RAII`main at RAII.c:36:5
    frame #2: 0x00000000004b7ec8 RAII`__libc_start_call_main + 104
    frame #3: 0x00000000004ba090 RAII`__libc_start_main + 624
    frame #4: 0x0000000000405475 RAII`_start + 37

当我们运行到try块收尾大括号处，看此时程序刚好调用了File::~File

(lldb) n
Opening file: example.txt
Process 4552 stopped
* thread #1, name = 'RAII', stop reason = step over
    frame #0: 0x00000000004055e3 RAII`main at RAII.c:33:5
   30           File f("example.txt");
   31
   32           // 文件操作...
-> 33       } catch (const std::exception& e) {
   34           std::cerr << e.what() << std::endl;
   35       }
   36
(lldb) di -s $pc
RAII`main:
->  0x4055e3 <+110>: lea    rax, [rbp - 0x58]
    0x4055e7 <+114>: mov    rdi, rax
    0x4055ea <+117>: call   0x40581c       ; File::~File at RAII.c:18:5
    0x4055ef <+122>: mov    eax, 0x0
    0x4055f4 <+127>: mov    rdx, qword ptr [rbp - 0x18]
    0x4055f8 <+131>: sub    rdx, qword ptr fs:[0x28]

也即是代码：

0x4055ea <+117>: call   0x40581c       ; File::~File at RAII.c:18:5

RAII风格指针

现代C++的几个指针

std::unique_ptr：独占所有权的智能指针。一个 unique_ptr 只能有一个指针指向资源，因此它不支持复制，只支持转移所有权。
std::shared_ptr：共享所有权的智能指针。多个 shared_ptr 可以共享对资源的所有权，只有最后一个指针被销毁时，资源才会被释放。
std::weak_ptr：一种不影响资源生命周期的智能指针，用来打破循环引用的问题

我们也来观察下RAII指针自动调用析构函数释放的例子

//filename:zhizhen.c
//compile:g++ -std=c++20 -g -static -o zhizhen zhizhen.c
#include <iostream>
#include <memory>


class Resource {
public:
    Resource(const std::string& name) : name_(name) {
        std::cout << name_ << " acquired!" << std::endl;
    }


    ~Resource() {
        std::cout << name_ << " released!" << std::endl;
    }


    void use() {
        std::cout << "Using " << name_ << std::endl;
    }


private:
    std::string name_;
};


void demonstrateWeakPtr() {
    // 创建 shared_ptr 管理 Resource 对象
    std::shared_ptr<Resource> sharedResource = std::make_shared<Resource>("Resource1");


    // 创建 weak_ptr 观察 shared_ptr
    std::weak_ptr<Resource> weakResource = sharedResource;


    // weak_ptr 不增加引用计数，它只是观察资源
    std::cout << "Weak pointer created, but it does not affect resource's reference count." << std::endl;


    // 使用 weak_ptr 的 lock 方法来获取 shared_ptr
    if (auto lockedResource = weakResource.lock()) {
        lockedResource->use();  // 使用资源
    } else {
        std::cout << "Failed to lock weak pointer, resource is not available." << std::endl;
    }


    // 当 shared_ptr 离开作用域时，资源会被释放
}


int main() {
    demonstrateWeakPtr();  // 资源由 shared_ptr 管理，weak_ptr 只是观察


    return 0;
}

它的结果如下，同样的析构函数在离开作用域释放

图片

结尾

RAII并不是一个新鲜的特性，而是古早就有的一种范式。上面例子展示了对象创建的时候获取资源，对象销毁的时候释放资源的例子。

我们只需要写好代码的规范，其它的编译器都给做了，比如析构函数的调用等。这种操作，有效的防范了部分内存泄露的可能性。