More Effective C++ 阅读笔记(七)--防止在析构函数和构造函数中发生资源泄漏
黑月亮 发表于 2005-10-3 20:37:00 |
在析构函数和构造函数中防止资源泄露
1.在析构函数防止资源泄露
问题引入:你的程序的关键部分就是这个函数，如下所示：
void processAdoptions(istream& dataSource)
{
while (dataSource) { // 还有数据时,继续循环
ALA *pa = readALA(dataSource); //得到下一个动物
pa->processAdoption(); //处理收容动物
delete pa; //删除readALA返回的对象
}
}
这个函数循环遍历dataSource内的信息，处理它所遇到的每个项目。唯一要记住的一点是在每次循环结尾处删除pa。
这是必须的，因为每次调用readALA都建立一个堆对象。如果不删除对象，循环将产生资源泄漏。任何时候pa->processAdoption抛出一个异常都会导致processAdoptions内存泄漏。
改进后的堵塞泄漏很容易 ：
void processAdoptions(istream& dataSource)
{
while (dataSource) {
ALA *pa = readALA(dataSource);
try {
pa->processAdoption();
}
catch (...) { // 捕获所有异常
delete pa; // 避免内存泄漏
// 当异常抛出时
throw; // 传送异常给调用者
}
delete pa; // 避免资源泄漏
} // 当没有异常抛出时
}
但是你必须用try和catch对你的代码进行小改动。更重要的是你必须写双份清除代码，一个为正常的运行准备，一个为异常发生时准备。在这种情况下，必须写两个delete代码。象其它重复代码一样，这种代码写起来令人心烦又难于维护，而且它看上去好像存在着问题。不论我们是让processAdoptions正常返回还是抛出异常，我们都需要删除pa，所以为什么我们必须要在多个地方编写删除代码呢？
（WQ加注，VC＋＋支持try…catch…final结构的SEH。）
防止内存泄漏的方法:用一个对象存储需要被自动释放的资源，然后依靠对象的析构函数来释放资源.
标准C++库函数包含一个类模板，叫做auto_ptr，这正是我们想要的。每一个auto_ptr类的构造函数里，让一个指针指向一个堆对象（heap object），并且在它的析构函数里删除这个对象。下面所示的是auto_ptr类的一些重要的部分：
template<class T>
class auto_ptr {
public:
auto_ptr(T *p = 0): ptr(p) {} // 保存ptr，指向对象
~auto_ptr() { delete ptr; } // 删除ptr指向的对象
private:
T *ptr; // raw ptr to object
};
auto_ptr类的完整代码是非常有趣的，上述简化的代码实现不能在实际中应用。（我们至少必须加上拷贝构造函数，赋值operator和将在条款M28讲述的pointer-emulating函数），但是它背后所蕴含的原理应该是清楚的：用auto_ptr对象代替raw指针，你将不再为堆对象不能被删除而担心，即使在抛出异常时，对象也能被及时删除。(因为auto_ptr的析构函数使用的是单对象形式的delete，所以auto_ptr不能用于指向对象数组的指针。如果想让auto_ptr类似于一个数组模板，你必须自己写一个。在这种情况下，用vector代替array可能更好。)
使用auto_ptr对象代替raw指针，processAdoptions如下所示：
void processAdoptions(istream& dataSource)
{
while (dataSource) {
auto_ptr<ALA> pa(readALA(dataSource));
pa->processAdoption();
}
}
这个版本的processAdoptions在两个方面区别于原来的processAdoptions函数。第一，pa被声明为一个auto_ptr<ALA>对象，而不是一个raw ALA*指针。第二，在循环的结尾没有delete语句。其余部分都一样，因为除了析构的方式，auto_ptr对象的行为就象一个普通的指针。是不是很容易。
隐藏在auto_ptr后的思想是：用一个对象存储需要被自动释放的资源，然后依靠对象的析构函数来释放资源，这种思想不只是可以运用在指针上，还能用在其它资源的分配和释放上。想一下这样一个在GUI程序中的函数，它需要建立一个window来显式一些信息：
// 这个函数会发生资源泄漏，如果一个异常抛出
void displayInfo(const Information& info)
{
WINDOW_HANDLE w(createWindow());
在w对应的window中显式信息
destroyWindow(w);
}
很多window系统有C－like接口，使用象like createWindow 和destroyWindow函数来获取和释放window资源。如果在w对应的window中显示信息时，一个异常被抛出，w所对应的window将被丢失，就象其它动态分配的资源一样。
解决方法与前面所述的一样，建立一个类，让它的构造函数与析构函数来获取和释放资源：
//一个类，获取和释放一个window 句柄
class WindowHandle {
public:
WindowHandle(WINDOW_HANDLE handle): w(handle) {}
~WindowHandle() { destroyWindow(w); }
operator WINDOW_HANDLE() { return w; } // see below
private:
WINDOW_HANDLE w;
// 下面的函数被声明为私有，防止建立多个WINDOW_HANDLE拷贝
//有关一个更灵活的方法的讨论请参见条款M28。
WindowHandle(const WindowHandle&);
WindowHandle& operator=(const WindowHandle&);
};
通过给出的WindowHandle类，我们能够重写displayInfo函数，如下所示：
// 如果一个异常被抛出，这个函数能避免资源泄漏
void displayInfo(const Information& info)
{
WindowHandle w(createWindow());
在w对应的window中显式信息;
}
即使一个异常在displayInfo内被抛出，被createWindow 建立的window也能被释放。
资源应该被封装在一个对象里，遵循这个规则，你通常就能避免在存在异常环境里发生资源泄漏。
2.在构造函数中防止资源泄露
问题引入:
为了实现某一个通信录，你可以这样设计：
class Image { // 用于图像数据
public:
Image(const string& imageDataFileName);
...
};
class AudioClip { // 用于声音数据
public:
AudioClip(const string& audioDataFileName);
...
};
class PhoneNumber { ... }; // 用于存储电话号码
class BookEntry { // 通讯录中的条目
public:
BookEntry(const string& name,
const string& address = "",
const string& imageFileName = "",
const string& audioClipFileName = "");
~BookEntry();
void addPhoneNumber(const PhoneNumber& number);// 通过这个函数加入电话号码
...
private:
string theName; // 人的姓名
string theAddress; // 他们的地址
list<PhoneNumber> thePhones; // 他的电话号码
Image *theImage; // 他们的图像
AudioClip *theAudioClip; // 他们的一段声音片段
};
通讯录的每个条目都有姓名数据，所以你需要带有参数的构造函数，不过其它内容（地址、图像和声音的文件名）都是可选的。注意应该使用链表类（list）存储电话号码，这个类是标准C++类库（STL）中的一个容器类（container classes）。（参见Effective C++条款49 和More Effective C++条款M35）
编写BookEntry 构造函数和析构函数，有一个简单的方法是：
BookEntry::BookEntry(const string& name,
const string& address,
const string& imageFileName,
Const string& audioClipFileName)
: theName(name), theAddress(address),
theImage(0), theAudioClip(0)
{
if (imageFileName != "") {
theImage = new Image(imageFileName);
}
if (audioClipFileName != "") {
theAudioClip = new AudioClip(audioClipFileName);
}
}
BookEntry::~BookEntry()
{
delete theImage;
delete theAudioClip;
}
构造函数把指针theImage和theAudioClip初始化为空，然后如果其对应的构造函数参数不是空，就让这些指针指向真实的对象。析构函数负责删除这些指针，确保BookEntry对象不会发生资源泄漏。因为C++确保删除空指针是安全的，所以BookEntry的析构函数在删除指针前不需要检测这些指针是否指向了某些对象。
看上去好像一切良好，在正常情况下确实不错，但是在非正常情况下（例如在有异常发生的情况下）它们恐怕就不会良好了。
请想一下如果BookEntry的构造函数正在执行中，一个异常被抛出，会发生什么情况呢？：
if (audioClipFileName != "") {
theAudioClip = new AudioClip(audioClipFileName);
}
一个异常被抛出，可以是因为operator new（参见条款M8）不能给AudioClip分配足够的内存，也可以因为AudioClip的构造函数自己抛出一个异常。不论什么原因，如果在BookEntry构造函数内抛出异常，这个异常将传递到建立BookEntry对象的地方（在构造函数体的外面。 译者注）。 现在假设建立theAudioClip对象建立时，一个异常被抛出（而且传递程序控制权到BookEntry构造函数的外面），那么谁来负责删除theImage已经指向的对象呢？答案显然应该是由BookEntry来做，但是这个想当然的答案是错的。~BookEntry()根本不会被调用，永远不会。
这是因为C++仅仅能删除被完全构造的对象（fully contructed objects）, 只有一个对象的构造函数完全运行完毕，这个对象才被完全地构造。
即当异常发生时调用delete，如下所示：
void testBookEntryClass()
{
BookEntry *pb = 0;
try {
pb = new BookEntry("Addison-Wesley Publishing Company",
"One Jacob Way, Reading, MA 01867");
...
}
catch (...) { // 捕获所有异常
delete pb; // 删除pb,当抛出异常时
throw; // 传递异常给调用者
}
delete pb; // 正常删除pb
}
你会发现在BookEntry构造函数里为Image分配的内存仍旧被丢失了，这是因为如果new操作没有成功完成，程序不会对pb进行赋值操作。如果BookEntry的构造函数抛出一个异常，pb将是一个空值，所以在catch块中删除它除了让你自己感觉良好以外没有任何作用。用灵巧指针（smart pointer）类auto_ptr<BookEntry>（参见条款M9）代替raw BookEntry*也不会也什么作用，因为new操作成功完成前，也没有对pb进行赋值操作。
解决方案:
使用auto_ptr,把theImage 和 theAudioClip指向的对象做为一个资源，被一些局部对象管理。这个解决方法建立在这样一个事实基础上：theImage 和theAudioClip是两个指针，指向动态分配的对象，因此当指针消失的时候，这些对象应该被删除。auto_ptr类就是基于这个目的而设计的。（参见条款M9）因此我们把theImage 和 theAudioClip raw指针类型改成对应的auto_ptr类型。
class BookEntry {
public:
... // 同上
private:
...
const auto_ptr<Image> theImage; // 它们现在是
const auto_ptr<AudioClip> theAudioClip; // auto_ptr对象
};
这样做使得BookEntry的构造函数即使在存在异常的情况下也能做到不泄漏资源，而且让我们能够使用成员初始化表来初始化theImage 和 theAudioClip，如下所示：
BookEntry::BookEntry(const string& name,
const string& address,
const string& imageFileName,
const string& audioClipFileName)
: theName(name), theAddress(address),
theImage(imageFileName != ""
? new Image(imageFileName)
: 0),
theAudioClip(audioClipFileName != ""
? new AudioClip(audioClipFileName)
: 0)
{}
在这里，如果在初始化theAudioClip时抛出异常，theImage已经是一个被完全构造的对象，所以它能被自动删除掉，就象theName, theAddress和thePhones一样。而且因为theImage 和 theAudioClip现在是包含在BookEntry中的对象，当BookEntry被删除时它们能被自动地删除。因此不需要手工删除它们所指向的对象。可以这样简化BookEntry的析构函数:
BookEntry::~BookEntry()
{} // nothing to do!
这表示你能完全去掉BookEntry的析构函数。
综上所述，如果你用对应的auto_ptr对象替代指针成员变量，就可以防止构造函数在存在异常时发生资源泄漏，你也不用手工在析构函数中释放资源，并且你还能象以前使用非const指针一样使用const指针，给其赋值。
在对象构造中，处理各种抛出异常的可能，是一个棘手的问题，但是auto_ptr(或者类似于auto_ptr的类)能化繁为简。它不仅把令人不好理解的代码隐藏起来，而且使得程序在面对异常的情况下也能保持正常运行。
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