《Effective C++》第三版-3. 资源管理（Resource Management）

Roanapur2024-04-30 18:16

目录

  • [条款13：以对象管理资源（Use objects to manage resources）](#条款13：以对象管理资源（Use objects to manage resources）)
  • [条款14：在资源管理类中小心copying行为（Think carefully about copying behavior in resource-managing classes）](#条款14：在资源管理类中小心copying行为（Think carefully about copying behavior in resource-managing classes）)
  • [条款15：在资源管理类中替工对原始资源的访问（Provide access to raw resources in resource-managing classes）](#条款15：在资源管理类中替工对原始资源的访问（Provide access to raw resources in resource-managing classes）)
  • [条款16：成对使用new和delete时要采取相同形式（Use the same form in corresponding uses of new and delete）](#条款16：成对使用new和delete时要采取相同形式（Use the same form in corresponding uses of new and delete）)
  • [条款17：以独立语句奖newed对象置入智能指针（Store newed objects in smart pointers in standalone statements）](#条款17：以独立语句奖newed对象置入智能指针（Store newed objects in smart pointers in standalone statements）)

前几章的笔记多有不足，这一章会持续改进

条款13：以对象管理资源（Use objects to manage resources）

关键想法

考虑以下易出错的例子：

cpp 复制代码 
class Investment { ... };  //投资类型继承体系中的root类
//工厂函数，指向Investment继承体系内的动态分配对象，参数省略
Investment* createInvestment {}; 
void f()
{
	Investment* pInv = createInvestment();  //调用工厂函数
	...  //若这里return则无法执行delete
	delete pInv;  //释放pInv所指对象
}

解决方案：把资源放进对象，可利用析构函数自动调用机制确保资源释放

以对象管理资源的两个关键想法：

  • 获得资源后立刻放进管理对象（managing object）内
    • 资源取得时机便是初始化时机（Resource Acquisition Is Initialization，RAII）
    • 有时获得的资源会拿来赋值而非初始化
  • 管理对象运用析构函数确保资源释放
    • 不论控制流如何离开区块，一旦对象被销毁（如离开对象作用域）其析构函数会自动调用

智能指针

auto_ptr：

  • 通过copy构造函数或copy assignment操作符复制它们，它们会变成null，复制所得的指针将取得资源的唯一所有权
  • 故需要元素能够复制地STL容器不兼容auto_ptr

auto_ptr在C++11中已被弃用，以下简要介绍

cpp 复制代码 
void f()
{
	std::auto_ptr<Investment> pInv(createInvestment());
	...
}  //auto_ptr的析构函数自动删除pInv

std::auto_ptr<Investment< pInv1(createInvestment());
std::auto_ptr<Investment< pInv2(pInv1);  //现在pInv2指向对象，pInv1为null
pInv1 = pInv2;  //现在pInv1指向对象，pInv2为null

shared_ptr：属于引用计数型智慧指针（reference-counting smart pointer，RCSP）

  • 会持续追踪有多少对象指向某笔资源，并在无人指向它时自动删除该资源
  • 其行为类似垃圾回收（garbage collection），但RCSP无法打破环状引用（cycles of references，如两个未被使用的对象彼此互指）
  • 适用于STL容器
cpp 复制代码 
void f()
{
	std::tr1::shared_ptr<Investment> pInv(createInvestment());
	...
}  //shared_ptr的析构函数自动删除pInv

void f()
{
	...
	std::tr1::shared_ptr<Investment> pInv1(createInvestment());
	std::tr1::shared_ptr<Investment> pInv2(pInv1);  //指向同一个对象
	pInv1 = pInv2;  //同上
	...
}  //pInv1和pInv2被销毁，他们所指的对象也被销毁

auto_ptr和shared_ptr的析构函数做delete而非delete[]，故不适合在动态分配而得的array身上使用，即使能通过编译

Boost中boost::scoped_array和boost::shared_array则可用于数组且类似auto_ptr和shared_ptr

cpp 复制代码 
std::auto_ptr<std::string> aps(new std::string[10]);  //会调用错误形式的delete
std::tr1::shared_ptr<int> spi(new int[1024]);  //同上

Tips：

  • 为防止资源泄漏，请使用RAII对象，其在构造函数中获得资源并在析构函数中释放资源
  • RAII中常用shared_ptr，其copy行为比较直观（auto_ptr已被弃用）

条款14：在资源管理类中小心copying行为（Think carefully about copying behavior in resource-managing classes）

对mutex一点不了解emmm，硬着头皮总结下

非heap-based的资源不适合使用智能指针作为资源掌管者（resource handlers）

考虑使用C API函数处理类型为Mutex的互斥器对象（mutex objects），共有lock和unlock两函数可用。为确保不会忘记把被锁的Mutex解锁，可建立类以管理机锁，该类的结构符合RAII守则

cpp 复制代码 
void lock(Mutex* pm);  //锁定pm所指的互斥器
void unlock(Mutex* pm);  //解除互斥器的锁定

//管理机锁的类，符合RAII守则
class Lock {
public:
	explicit Lock(Mutex* pm)
		: mutexPrt(pm)
	{ lock(mutexPtr); }
	~Lock() { unlock(mutexPtr); }
private:
	Mutex *mutexPtr;
};

//客户对Lock的用法符合RAII方式
Mutex m;
...
{
	Lock ml(&m);
	...
}

如果要复制Lock对象，则可能：

cpp 复制代码 
Lock m11(&m);  //锁定m
Lock m12(m11);  //将m11复制到m12上
  • 禁止复制
    • 很多时候允许RAII对象复制不合理（则应将copying操作声明为private）、
    • 但Lock类是少有的能合理拥有同步化基础器物（synchronization primitives）的副本，其可能可以被复制
  • 对底层资源使用引用计数法
    • 和RAII规则类似，但是当使用上一个Mutex时需要解除锁定而非删除
    • tr1::shared_ptr允许指定删除器（deleter），其为函数或函数对象，当引用次数为0时调用
cpp 复制代码 
class Lock {
public:
	explicit Lock(Mutex* pm)  //以Mutex初始化shared_ptr
		: mutexPtr(pm, unlock)  //以unlock函数作为删除器
	{
		lock(mutexPtr.get());
	}
private:
	std::tr1::shared_ptr<Mutex> mutexPtr;  //使用shared_ptr替换raw pointer
};
  • 复制底部资源，即进行深拷贝（deep copying），如将指针及其所指对象都复制
  • 转移底部资源的拥有权
    • 少数情况需要确保只有一个RAII指向一个未加工资源（raw resource），即使RAII对象被复制
    • 此时资源的所有权会从被复制物转移到目标物

Tips：

  • 复制RAII对象必须一并复制它所管理的资源，故资源的copying行为决定RAII对象的copying行为
  • 通常的RAII类的copying行为是：抑制copying、使用引用计数法。但其他行为也可能实现

条款15：在资源管理类中替工对原始资源的访问（Provide access to raw resources in resource-managing classes）

由于auto_ptr已弃用，本条款不整理和其相关的内容

显示转换或隐式转换

有时智能指针不能直接使用（如下例子），需要显示转换 或隐式转换：

cpp 复制代码 
class Investment {
public:
	bool isTaxFree() const;
	...
}
Investment* createInvestment();  //工厂函数
std::tr1::shared_ptr<Investment> pInv(createInvestment());
int daysHeld(const Investment* pi);  //返回投资天数

int days = daysHeld(pInv);  //错误！daysHeld需要Investment*而非tr1::shared_ptr
//显示转换
int days = daysHeld(pInv.get());
//隐式转换，tr1::share_ptr重载了指针取值（pointer dereferencing）操作符（->和*）
bool taxable1 = !(pInv->isTaxFree());
bool taxable2 = !((*pInv).isTaxFree());

优缺点

有时必须取得RAII对象内的原始资源，考虑用于字体的RAII类：

cpp 复制代码 
FontHandle getFont();  //这是C API，省略参数
void releaseFont(FontHandle fh);  //来自同一组
class Font {  //RAII类
public:
	explicit Font(FontHandle fh)  //获得资源
		: f(fh)  //使用pass-by-value，因为C API这样做
	{ }
	~Font() { releaseFont(f); }  //释放资源
private:
	FontHandle f;  //原始字体资源
};
  • 显示转换：可读性强，但是需要API时必须调用get
cpp 复制代码 
class Font { 
public:
	...
	FontHandle get() const { return f; }  //显式转换函数
	...
};

void changeFontSIze(FontHandle f, int newSize);
Font f(getFont());
int newFontSize;
...
changeFontSize(f.get(), newFontSize);
  • 隐式转换：调用C API更自然，但是易出错
    • 可能在需要Font时意外创建FontHandle，且f被销毁则f0成为悬空的（dangle）
cpp 复制代码 
class Font {  //RAII类
public:
	...
	operator FontHandle() const { return f; }  //隐式转换函数
	...
};
changeFontSize(f, newFontSize)
FontHanle f0 = f;  //想要拷贝，但是将f1隐式转换为其底部的FontHandle才复制

Tips：

  • API往往要求访问原始资源，故RAII类应提供取得其管理的资源的方法
  • 对原始资源的访问包含显示转换和隐式转换，一般显示转换安全而隐式转换方便

条款16：成对使用new和delete时要采取相同形式（Use the same form in corresponding uses of new and delete）

cpp 复制代码 
std::string* stringArray = new std::string[100];
...
delete stringArray

以上程序的行为不明确：

  • 使用new时会发生两件事：
    • 内存分配
    • 调用针对此内存的构造函数
  • delete需要知道被删除的内存内有多少对象，其决定了要调用多少析构函数
    • 若指针指向数组对象，则数组所用的内存包含数组大小信息
    • 若指针指向单一对象，则无上述信息
    • 需要人为告诉delete所删除的对象类型
cpp 复制代码 
std::string* stringPtr1 = new std::string;
std::string* stringPtr2 = new std::string[100];
...
delete stringPtr1;  //删除对象
delete [ ] stringPtr2;  //删除对象组成的数组

使用typedef需要考虑相同的问题（下例中数组使用typedef并不合适，容易产生错误，仅做说明）：

cpp 复制代码 
typedef std::string AddressLines[4];  //地址有4行，每行一个string
std::string* pal = new AddressLines;  //本质上同new string[4]
delete pal;  //错误！行为未有定义
delete [ ] pal;  //正确

Tips：

  • 如果new加上[]，则delete必须加上[]；如果new没加[]，则delete不能加[]

条款17：以独立语句奖newed对象置入智能指针（Store newed objects in smart pointers in standalone statements）

考虑涉及优先权的例子：

cpp 复制代码 
int priority();
void processWidget(std::tr1::shared_ptr<Widget> pw, int priority);

//错误！new Widget无法隐式转换为shared_ptr，因为shared_ptr的构造函数为explicit
processWidget(new Widget, priority());
 
//可以通过编译，但可能泄漏资源
processWidget(std::tr1::shared_ptr<Widget>(new Widget), priority());

编译器产出processWidget调用码之前，必须首先核酸即将被传递的各个实参，其要做事情有三件：

  • 第一实参
    • 执行new Widget
    • 调用tr1::shared_ptr构造函数
  • 第二实参
    • 调用priority

实际执行的次序弹性很大，只能确定执行new Widget一定先于调用tr1::shared_ptr构造函数，但调用priority的次序不一定。若编译器选择以下次序：

  1. 执行new Widget
  2. 调用priority
  3. 调用tr1::shared_ptr构造函数

则如果调用priority出现异常，那new Widget返回的指针将遗失，其未来得及放入tr1::shared_ptr内，进而导致资源泄漏。即创建资源和资源转换为资源管理对象直接有可能发生异常干扰

解决方法：使用分离语句，因为编译器对于跨越语句的各项操作没有重新排列的自由

cpp 复制代码 
std::tr1::shared_ptr<Widget> pw(new Widget);
processWidget(pw, priority());  //这样调用不会泄漏

Tips：

  • 以独立语句将newed对象存储于智能指针内，否则一旦有异常则可能发生隐秘的资源泄漏
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