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RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制

news 来源：原创 2025/5/9 8:06:05

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制

1. 什么是 RAII？

🌟 RAII（资源获取即初始化，Resource Acquisition Is Initialization） 是 C++ 语言中的一种管理资源的编程技巧。
RAII 使资源（如内存、文件句柄、线程、锁等）与对象的生命周期绑定，
这意味着：

对象构造时（constructor）申请资源
对象析构时（destructor）自动释放资源

2. RAII 解决了什么问题？

RAII 解决了 手动管理资源 的各种问题，例如：

忘记释放资源（导致内存泄漏、文件句柄泄漏）
异常导致资源释放失败（如果函数 throw 异常，资源可能不会被释放）
资源管理逻辑分散，代码难以维护

RAII 确保资源不会泄漏，并且异常不会破坏资源管理，从而 提高代码的安全性和可维护性。

3. RAII 代码示例

RAII 典型的做法是：使用类的构造函数获取资源，使用析构函数释放资源。

🔥 示例 1：FILE 文件句柄管理（避免 fopen() 忘记 fclose()）

#include <iostream>
#include <cstdio>

class FileHandler {
public:
    explicit FileHandler(const char* filename) {
        file_ = std::fopen(filename, "w");
        if (!file_) {
            throw std::runtime_error("无法打开文件！");
        }
    }

    ~FileHandler() {  // RAII: 在析构函数中释放资源
        if (file_) {
            std::fclose(file_); 
            std::cout << "文件已关闭\n";
        }
    }

    void write(const char* text) {
        if (file_) {
            std::fprintf(file_, "%s", text);
        }
    }

private:
    FILE* file_; // 资源：文件指针
};

int main() {
    try {
        FileHandler fh("example.txt");  // 构造时打开文件
        fh.write("Hello, RAII!\n");

    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "异常：" << e.what() << std::endl;
    } 
    // FileHandler 对象 `fh` 作用域结束后，自动释放文件资源
}

📌 这里的 RAII 机制：

构造函数 (FileHandler::FileHandler()) 申请 fopen() 资源
析构函数 (FileHandler::~FileHandler()) 释放 fclose() 资源
即使异常发生，析构函数依旧会执行，确保不会忘记释放资源

🔥 示例 2：智能指针（避免 new 后忘记 delete）
在 C++98 及之前，动态分配对象需要手动使用 new/delete。

void bad_example() {
    int* p = new int(10); // 申请内存
    throw std::runtime_error("发生异常！"); // Oops! `delete p;` 没有执行，内存泄漏！
    delete p; // 永远不会执行
}

RAII 解决这个问题，C++11 以后我们可以使用 std::unique_ptr：

#include <memory>
void good_example() {
    std::unique_ptr<int> p = std::make_unique<int>(10); // RAII：构造时申请资源
    throw std::runtime_error("发生异常！"); // 资源仍然会被自动释放，不会泄漏！
} // 作用域结束，自动调用 `unique_ptr` 析构函数，释放 `int*`

📌 这里的 RAII 机制：

std::unique_ptr<int> 绑定了 new int(10) 的生命周期
异常发生时，unique_ptr 自动释放 int*，不会导致内存泄漏

🔥 示例 3：C++ std::lock_guard 保护互斥锁
手动加锁和解锁，非常容易遗漏：

std::mutex mtx;
void bad_function() {
    mtx.lock();  // 手动加锁
    throw std::runtime_error("发生异常！");  // Oops! 没有 `unlock()`，死锁风险！
    mtx.unlock();
}

RAII 方式（使用 std::lock_guard）：

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mtx;

void safe_function() {
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx); // RAII：构造时加锁，析构时自动解锁
    std::cout << "安全访问共享资源\n";
    // 作用域结束 `lock_guard` 析构时，自动解锁，避免死锁风险
}

4. `LoanedCommandInterface` 是如何使用 RAII 的？

ROS 2 hardware_interface::LoanedCommandInterface 也是 RAII 设计模式 的一个典型应用：

class LoanedCommandInterface {
public:
    explicit LoanedCommandInterface(CommandInterface* cmd)
        : command_interface_(cmd) {}

    ~LoanedCommandInterface() { command_interface_ = nullptr; } // RAII 释放资源

    double get_value() { return command_interface_->get_value(); }
    void set_value(double value) { command_interface_->set_value(value); }

private:
    CommandInterface* command_interface_;
};

📌 RAII 这里的作用：

构造函数 LoanedCommandInterface() 申请硬件接口
析构函数 ~LoanedCommandInterface() 自动释放硬件接口
即使异常发生，析构仍然会执行，防止资源泄漏

5. 什么时候使用 RAII？

✅ 当你需要手动管理资源（如 内存、文件、锁、网络连接、数据库连接）时，尽量使用 RAII：

替代 new/delete —— 使用 std::unique_ptr
替代 malloc/free —— 使用 std::vector（内部自动管理 new[]/delete[] ）
处理文件 —— 用 std::fstream，避免 fopen/fclose
管理线程同步 —— 用 std::lock_guard 自动管理 std::mutex

6. RAII 适用于 C++，但在 C 语言中常见吗？

C 语言本身 不支持 RAII，因为 C 没有构造函数/析构函数，必须手动释放资源：

FILE* file = fopen("data.txt", "w");
if (!file) { return -1; }
// 使用文件...
fclose(file);  // 记得手动释放资源

在 C++ 里，我们可以使用 RAII 方式，减少手动释放资源的风险：

std::ofstream file("data.txt");

文件会在 std::ofstream 对象销毁时 自动关闭，避免了 C 语言里可能出现的 资源泄漏。

7. 总结

🔹 RAII（资源获取即初始化）是 C++ 的重要设计模式
🔹 在构造函数获取资源，在析构函数释放资源，防止泄漏
🔹 RAII 适用于内存（智能指针）、文件、锁、线程、数据库连接等
🔹 std::unique_ptr、std::vector、std::lock_guard 都是 RAII 典型应用
🔹 hardware_interface::LoanedCommandInterface 也是基于 RAII 的设计

🚀 RAII 增强代码的安全性、可维护性，尽量在 C++ 编程中使用 RAII！ 🚀