Back to Basics: RAII and The Rule of Zero shuo

Back to Basics: RAII and The Rule of Zero shuo
本文整理了Arthur O'Dwyer在CppCon 2019上关于RAII的演讲，演讲的slides可以在此链接进行下载。

在C++程序中，我们往往需要管理各种各样的资源。资源通常包括以下几种：
- Allocated memory (malloc/free, new/delete, new[]/delete[])
- POSIX file handles (open/close)
- C File handles (fopen/fcolse)
- Mutex locks (pthread_mutex_lock/pthread_mutex_unlock)
- C++ threads (spawn/join)
上面这些资源，有些的管理权是独占的（比如mutex locks），而另一些的管理权则可以是共享的（比如堆、文件句柄等）。重要的是，程序需要采取一些明确的措施才能释放资源。下面，我们将以经典的堆分配为例，来说明资源管理中的若干问题。

下面的代码实现了一个非常朴素的向量类，它提供了push_back接口，每次调用push_back都会释放旧资源，然后申请新资源。
```
class NaiveVector {
 public:
  int *ptr_;
  size_t size_;
  
  NaiveVector()  : ptr_(nullptr), size_(0) {}
  void push_back(int newvalue) {
    int *newptr = new int[size_ + 1];
    std::copy(ptr_, ptr_ + size_, newptr);
    delete [] ptr_;
    ptr_ = newptr;
    ptr_[size_++] = newvalue;
  }
};
```
在上面代码的第6行，构造函数正确地初始化了ptr_和size_。在push_back函数的实现中，也正确地实现了资源的申请和释放。到目前为止，一切看起来都如我们所愿，没有发生任何的资源泄漏。
```
{
  NaiveVector vec;   // here ptr_ is initialized with 0 elements
  vec.push_back(1);  // ptr_ is correctly updated with 1 element
  vec.push_back(2);  // ptr_ is correctly updated with 2 elements
}
```
考虑上面这块代码，在作用域中，我们创建了一个NaiveVector类型的对象vec，然后调用两次push_back函数。每次调用push_back，ptr_所指向的资源将会被释放，然后指向一个新申请的资源。当离开作用域时，局部对象vec被销毁，但此时vec对象中的ptr_成员仍然指向着某个资源，在销毁vec对象时，该资源并没有被释放，这就导致了资源的泄露。

显然，为了防止资源泄漏，我们需要在销毁vec对象时正确地释放掉它所管理的那些资源。注意到在创建某个类型的对象时，编译器会调用该类型的构造函数；相应地，当某个对象的生命周期结束时，编译器会调用析构函数来销毁该类型的对象。还是以上面的代码为例，在第2行编译器调用NaiveVector的构造函数创建对象；在第5行离开作用域时，编译器会调用析构函数销毁局部对象vec。因此，我们只需要实现一个析构函数并在其中释放掉所管理的资源，就能避免对象析构时的资源泄漏。新版的NaiveVector实现如下所示，其中第14行实现了析构函数。
```
class NaiveVector {
 public:
  int *ptr_;
  size_t size_;
  
  NaiveVector()  : ptr_(nullptr), size_(0) {}
  void push_back(int newvalue) {
    int *newptr = new int[size_ + 1];
    std::copy(ptr_, ptr_ + size_, newptr);
    delete [] ptr_;
    ptr_ = newptr;
    ptr_[size_++] = newvalue;
  }
  ~NaiveVector() { delete [] ptr_; }
};
```
然而，实现了析构函数以后，NaiveVector仍然会导致资源泄漏，这是由对象的拷贝操作引起的。如果我们没有为该类实现拷贝构造函数，那么编译器会生成一个合成的拷贝构造函数。合成拷贝构造函数的行为非常简单，它会逐一拷贝对象中的每个成员。对于指针类型的成员来说，它仅拷贝指针的值。
```
{
  NaiveVector v;
  v.push_back(1);
  {
    NaiveVector w = v;
  }
  std::cout << v[0] << "\n";
}
```
上面代码的第5行调用了NaiveVector类型的合成拷贝构造函数。拷贝操作完成后，w.ptr_和v.ptr_指向同一块内存资源。当执行到第6行时，离开了w对象的作用域，编译器会调用w的析构函数来释放w.ptr_所管理的资源并销毁该对象。由于w.ptr_和v.ptr_指向同一块资源，而这一块资源已经被w的析构函数释放掉了，因此在第7行对v[0]的访问就成了未定义行为。此外，在第8行离开v对象的作用域时，编译器又会调用v的析构函数来释放资源，这就导致了对同一块资源的重复释放，这同样是一个未定义行为。

正确地实现拷贝构造函数可以解决上述问题。换句话说，如果我们为某个类实现了析构函数，那么我们同样需要为它实现拷贝构造函数。析构函数负责释放资源以避免泄漏，而拷贝构造函数负责拷贝资源以避免重复释放。下面的代码实现了相应的拷贝构造函数。
```
class NaiveVector {
 public:  
  int *ptr_;
  size_t size_;
  
  NaiveVector()  : ptr_(nullptr), size_(0) {}
  ~NaiveVector() { delete [] ptr_; }

  NaiveVector(const NaiveVector& rhs) {
    ptr_ = new int[rhs.size_];
    size_ = rhs.size_;
    std::copy(rhs.ptr_, rhs.ptr_ + size_, ptr_);
  }
};
```
仅仅实现拷贝构造函数还不够，我们还需要实现拷贝赋值运算符。类似于合成拷贝构造函数，合成拷贝赋值运算符同样是拷贝每个成员的值。当离开对象的作用域时，合成拷贝赋值运算符同样会导致资源的重复释放。因此，我们还需要实现拷贝赋值运算符。下面的代码正确地实现了拷贝赋值运算符。
```
class NaiveVector {
  int *ptr_;
  size_t size_;
 public:
  NaiveVector()  : ptr_(nullptr), size_(0) {}
  ~NaiveVector() { delete [] ptr_; }

  NaiveVector(const NaiveVector& rhs) {
    ptr_ = new int[rhs.size_];
    size_ = rhs.size_;
    std::copy(rhs.ptr_, rhs.ptr_ + size_, ptr_);
  }
  
  NaiveVector& operator=(const NaiveVector& rhs) {
    NaiveVector copy = rhs;
    copy.swap(*this);
    return *this;
  }
};
```
综合上面的分析，我们可以得出结论——如果一个类需要直接管理某些资源，那么我们就要手动地为这个类实现三个特殊的成员函数：
- 析构函数，负责释放资源
- 拷贝构造函数，负责拷贝资源
- 拷贝赋值运算符，负责释放运算符左边的资源并拷贝运算符右面的资源
这就是The Rule of Three。另外，需要注意的是，我们可以通过拷贝并交换原语（copy-and-swap idiom）来实现拷贝复制运算符。欸，为什么需要通过拷贝并交换来实现拷贝赋值运算符呢？直接像下面这样，先释放旧资源再申请新资源不行吗？
```
NaiveVector& NaiveVector::operator=(const NaiveVector& rhs) {
  delete ptr_;
  ptr_ = new int[rhs.size_];
  size_ = rhs.size_;
  std::copy(rhs.ptr_, rhs.ptr_ + size_, ptr_);
  return *this;
}
```
答案显然是不行，因为上面的这种实现不能正确地处理自我赋值（self-assignment）的情况。在自我赋值的情况下，ptr_所指向的资源被释放，新申请的资源中包含的均是未定义的值，此时显然已经无法进行正确的拷贝操作。而在下面的拷贝并交换实现中，我们在修改*this对象之前就对rhs进行了一次完整的拷贝（通过拷贝构造函数），这就避免了自我赋值中的陷阱。
```
NaiveVector& NaiveVector::operator=(const NaiveVector& rhs) {
  NaiveVector copy(rhs);
  copy.swap(*this);
  return *this;
}
```
RAII的全称为Resource Acquisition Is Initialization，意思是资源获取即初始化。表面上看，RAII是关于初始化的，但实际上RAII更注重于资源的正确释放。使用RAII有助于我们写出异常安全的代码。考虑下面的代码，在第3行我们申请了内存资源，如果此时程序抛出异常，那么已经申请的资源就不能正确地被释放，从而导致内存泄漏。
```
int main() {
  try {
    int *arr = new int[4];
    throw std::runtime_error("for example");
    delete [] arr; // clean up
  } catch (const std::exception& e) {
    std::cout << "Caught an exception: " << e.what() << "\n";
  }
  return 0;
}
```
为了避免这个问题，我们可以使用RAII技术，将资源释放操作放到析构函数中。这样的话，即使程序抛出了异常，也能够正确地释放掉相应的资源。
```
struct RAIIPtr {
  int *ptr_;
  RAIIPtr(int *p) ptr_(p) {}
  ~RAIIPtr() { delete [] ptr_; }
};

int main() {
  try {
    RAIIPtr arr = new int[4];
    throw std::runtime_error("for example");
  } catch (const std::exception& e) {
    std::cout << "Caught an exception: " << e.what() << "\n";
  }
  return 0;
}
```
注意上面的RAIIPtr实现仍然可能会导致资源泄漏，因为我们没有实现拷贝构造函数和拷贝赋值运算符。当然，通过向拷贝构造函数和拷贝赋值运算符添加=delete，我们可以让RAIIPtr变成不可拷贝的（non-copyable）。
```
struct RAIIPtr {
  int *ptr_;
  RAIIPtr(int *p) ptr_(p) {}
  ~RAIIPtr() { delete [] ptr_; }

  RAIIPtr(const RAIIPtr&) = delete;
  RAIIPtr& operator=(const RAIIPtr&) = delete;
};
```
使用=delete之后，编译器就不会为RAIIPtr生成任何拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，任何拷贝操作都会被拒绝。类似地，我们可以通过=default来让编译器生成默认的成员函数。如果某个类不直接管理任何资源，而仅使用vector和string之类的库，那么我们就不应该为它编写任何特殊的成员函数，使用默认的即可。这就是我们所说的The Rule of Zero。

移动语义和The Rule of Five

C++11中引入了右值引用和移动语义，由此产生了移动构造函数和移动拷贝赋值运算符。一般来说，移动一个对象比拷贝一个对象的速度要快，尤其是当对象较大的时候。
```
class NaiveVector {
  // copy constructor
  NaiveVector(const NaiveVector& rhs) {
    ptr_ = new int[rhs.size_];
    size_  = rhs.size_;
    std::copy(rhs.ptr_, rhs.ptr_ + size_, ptr_);
  }
  
  // move constructor
  NaiveVector(NaiveVector&& rhs) {
    ptr_ = std::exchange(rhs.ptr_, nullptr);
    size_ = std::exchange(rhs.size_, 0);
  }
};
```
因此，为了保证正确性和性能，我们有了The Rule of Five——如果某个类直接管理某种资源，那么我们可能需要实现以下五个特殊的成员函数：
- 析构函数，负责释放资源
- 拷贝构造函数，负责拷贝资源
- 移动构造函数，负责转移资源的所有权
- 拷贝赋值运算符，负责释放运算符左边的资源并拷贝运算符右边的资源
- 移动赋值运算符，负责释放运算符左边的资源并转移运算符右边资源的所有权
需要注意的是，拷贝赋值运算符和移动赋值运算符的实现几乎一致，仅有微小的差别：
```
NaiveVector& NaiveVector::operator=(const NaiveVector& rhs) {
  NaiveVector copy(rhs);
  copy.swap(*this);
  return *this;
}

NaiveVector& NaiveVector::operator=(NaiveVector&& rhs) {
  NaiveVector copy(std::move(rhs));
  copy.swap(*this);
  return *this;
}
```
因此，一种想法是只实现一个赋值运算符（by-value assignment operator），将拷贝和移动的选择权交给函数的调用者，如下所示。不过这种实现方式并不常见，最好还是将拷贝赋值和移动赋值分开实现，毕竟STL就是这么做的。
```
NaiveVector& NaiveVector::operator=(NaiveVector copy) {
  copy.swap(*this);
  return *this;
}
```
根据上面的描述，我们衍生出The Rule of Four (and a half)——如果某个类直接管理某种资源，那么我们可能需要实现以下四个特殊的成员函数，以确保正确性和性能：
- 析构函数，负责释放资源
- 拷贝构造函数，负责拷贝资源
- 移动构造函数，负责转移资源的所有权
- by-value assignment operator，负责释放运算符左边的资源并转移运算符右边资源的所有权
另外，我们还需要实现两个版本的swap函数，一个作为成员函数，一个作为非成员函数。根据The Rule of Four (and a half)，我们实现了一个较为高效的Vec类：
```
class Vec {
 public:
  int *ptr_;
  int size_;

  Vec(const Vec& rhs) {
    ptr_ = new int[rhs.size_];
    size_ = rhs.size_;
    std::copy(rhs.ptr_, rhs.ptr_ + size_, ptr_);
  }
  
  Vec(Vec&& rhs) noexcept {
    ptr_ = std::exchange(rhs.ptr_, nullptr);
    size_ = std::exchange(rhs.size_, 0);
  }
  // two-argument swap, to make efficiently "std::swappable"
  friend void swap(Vec& a, Vec& b) noexcept {
    a.swap(b);
  }
  
  ~Vec() {
    delete [] ptr_;
  }

  Vec& operator=(Vec copy) {
    copy.swap(*this);
    return *this;
  }
  // member swap, for simplicity
  void swap(Vec& rhs) noexcept {
    using std::swap;
    swap(ptr_, rhs.ptr_);
    swap(size_, rhs.size_);
  }
};
```
通过将原始指针更换为unique_ptr，我们可以实现一个接近The Rule of Zero的Vec类：
```
class Vec {
 public:
  std::unique_ptr<int[]> uptr_;
  int size_;
  
  // copy the resource
  Vec(const Vec& rhs) {
    uptr_ = std::make_unique<int[]>(rhs.size_);
    size_ = rhs.size_;
    std::copy(rhs.uptr_, rhs.uptr_ + rhs.size_, uptr_);
  }

  // transfer ownership
  Vec(Vec&& rhs) noexcept = default;
  
  friend void swap(Vec& a, Vec& b) noexcept {
    a.swap(b);
  }

  // free the resource
  ~Vec() = default;
  
  // free and transfer ownership
  Vec& operator=(Vec copy) {
    copy.swap(*this);
    return *this;
  }

  // swap ownership
  void swap(Vec& rhs) noexcept {
    using std::swap;
    swap(uptr_, rhs.uptr_);
    swap(size_, rhs.size_);
  }
};
```
当然，真正的The Rule of Zero，还是得靠std::vector来实现：
```
class Vec {
 public:
  std::vector<int> vec_;
  
  Vec(const Vec& rhs) = default;
  Vec(Vec&& rhs) noexcept = default;
  Vec& operator=(const Vec& rhs) = default;
  Vec& operator=(Vec&& rhs) = default;
  ~Vec() = default;
  
  // swap ownership
  // now only for performance, not correctness
  void swap(Vec& rhs) noexcept {
    vec_.swap(rhs.vec_);
  }

  friend void swap(Vec& a, Vec& b) {
    a.swap(b);
  }
};
```
总结一下，如果某个类需要直接管理资源，那么为了保证正确性，我们需要为该类实现析构函数、拷贝构造函数和拷贝赋值运算符（The Rule of Three）；为了保证性能，我们还可以实现移动构造函数和移动拷贝赋值运算符（The Rule of Five）。如果某个类不直接管理资源，那么就不要实现任何特殊的成员函数（The Rule of Zero）。
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