RAII-skie kwiatki

Jako język nie posiadający słowa kluczowego finally, C++ preferuje nieco inną metodę na radzenie sobie z nieprzewidzianymi “wyskokami” z funkcji i związaną z tym możliwością wycieku zasobów (resource leak). Ten inny sposób jest znany skądinąd jako RAII: Resource Acquisition Is Initialization i polega na związaniu z każdym użyciem zasobu jakiegoś obiektu lokalnego, np.:

Proste i całkiem wygodne, jeśli tylko posiadamy już (lub zechcemy napisać) odpowiednią klasę, która w konstruktorze pozyskuje dany zasób – tutaj blokadę muteksa – a w destruktorze go oddaje.

Ale ten nieskomplikowany mechanizm daje możliwości popełnienia błędów, które są na swój interesujące, ale w realnym kodzie na pewno niezbyt przyjemne :) Pierwszy z nich związany jest z faktem, że lokalnych obiektów nie tworzy się znowu aż tak dużo i można popełnić w ich składni drobne, acz wielce znaczące faux pas z nawiasami:

Taki wiersz nie stworzy nam bowiem żadnego obiektu, ale zadeklaruje funkcję lock, zwracającą obiekt typu ThreadLock i niebiorącą żadnych argumentów. Zaskakujące? A to tylko prosta konsekwencja faktu, że cokolwiek, co można zinterpretować w C++ jako deklarację funkcji, zostanie tak właśnie zinterpretowane.

Można jednak ripostować, że nic takiego nie zdarzy się, jeśli do konstruktora naszego obiektu-blokady przekażemy chociaż jeden parametr. A zwykle tak właśnie będzie; tutaj np. byłoby nim odwołanie do obiektu typu mutex lub semafora, który chcemy zająć. Jednak nie zmienia to faktu, że w większości przypadków obiekt realizujący RAII wystarcza nam przez samo swoje istnienie, co z kolei sprawia, że w dalszym kodzie w ogóle się do niego nie odwołujemy. To zaś może spowodować, że pominiemy i tak nieużywany składnik jego deklaracji – czyli nazwę:

Takie zagranie również nie powinno wywołać protestów kompilatora, ale prawie na pewno nie jest tym, o co nam chodzi. Tworzony obiekt jest teraz bowiem nie lokalny, ale tymczasowy: jego zasięg ogranicza się do wyrażenia, w którym został wprowadzony. Czyli do… średnika kończącego powyższą instrukcję! Taki też zakres ma opakowana przez ów obiekt blokada międzywątkowa.

Jak zatem widać, jest tu kilka okazji do popełnienia błędów, które mogą być trudne do wykrycia. Powinniśmy więc zwrócić na nie uwagę tym bardziej, że wobec braku w C++ instrukcji finally technika RAII jest jedynym sensownym wyjściem dla lokalnego pozyskiwania i zwalniania zasobów.

Bolączki C++ #3 – RAII vs finally

Wyjątki są sposobem na zasygnalizowanie nietypowych i niespodziewanych błędów, które poważnie zaburzają działanie programu. I właśnie to, że potencjalnie wyjątek może wystąpić w bardzo wielu miejscach w kodzie, rodzi pewne kłopoty. Problemami są chociażby zasoby: coś, co się pozyskuje, wykorzystuje, a następnie zwalnia, gdyż w przeciwnym razie doszłoby do wycieku. Typowym zasobem jest chociażby dynamicznie alokowana pamięć – jeżeli jej nie zwolnimy, nastąpi klasyczny wyciek, jako że C++ nie posiada garbage collectora, który mógłby się tym zająć za nas.

W C++ zalecanym rozwiązaniem tego problemu jest technika znana jako RAII (Resource Acquision Is Initialization – pozyskanie zasobu jest inicjalizacją). Korzysta ona z faktu, że w naszym ulubionym języku programowania możemy tworzyć obiekty lokalne z konstruktorami i destruktorami. Te drugie wywołają się zawsze przy opuszczaniu danego bloku kodu – niezależnie od tego, czy stało się z powodu wyjątku czy tez normalnego przebiegu programu. Pomysł polega więc na tym, by tworzyć obiekt specjalnie przygotowanej klasy w momencie pozyskania zasobu, zaś destruktor tego obiektu zajmie się już jego zwolnieniem, niezależnie od powodu.

Dopóki korzystamy z pamięci albo z plików, wszystko jest w porządku; odpowiednie klasy (jak auto_ptr) posiada bowiem Biblioteka Standardowa. Gorzej jeśli chcemy skorzystać z innego rodzaju zasobów. Jeśli odpowiednia klasa realizująca technikę RAII nie istnieje, nie pozostaje nam nic innego, jak samemu ją sobie zapewnić (czytaj: napisać). I tak dla każdego rodzaju niestandardowych zasobów, które używamy. Po niedługim czasie można by z tych klas ułożyć własną “bibliotekę standardową” ;)

Alternatywą dla RAII jest dodanie trzeciego bloku (po try i catch) do konstrukcji łapiącej wyjątki. Jest on zwykle nazywany finally. Instrukcje zawarte w tym bloku są wykonywane zawsze po tych z bloku try – niezależnie od tego czy wyjątek wystąpił czy nie. Jest to więc bardzo dobre miejsce na wszelki kod zwalniający pozyskane wcześniej zasoby, np.:

Co ciekawe, posiadają go języki, które jeden z najważniejszych zasobów – pamięć – mają zarządzaną przez odśmiecacz, który praktycznie wyklucza możliwość powstania wycieków. Rzecz jednak w tym, że niektóre zasoby, jak chociażby otwarte pliku, nie mogą sobie czekać na to, aż odśmiecacz przypomni sobie o nich, gdyż wtedy byłyby blokowane stanowczo zbyt długo.

Czy C++ też potrzebuje instrukcji finally? Na pewno nie jest to bardzo paląca potrzeba, jako że technika RAII zapewnia komplet potrzebnej tutaj funkcjonalności. To drugie, alternatywne rozwiązanie ma jednak szereg zalet:

• Brak konieczności opakowywania każdego wykorzystywanego zasobu w specjalną klasę.
• Większa przejrzystość kodu, w którym zarówno operację pozyskania, jak i zwolnienia zasobu.
• finally można też pożytecznie wykorzystać nawet wówczas, gdy w grę nie wchodzi możliwość pojawienia się wyjątku. Jeżeli na przykład w jakiejś skomplikowanej funkcji mamy wiele miejsc, w których może nastąpić jej zakończenie, a przy każdej okazji może być potrzeba wykonania jeszcze jakichś czynności końcowych. Wtedy moglibyśmy zamknąć całą treść funkcji w try, a owe czynności umieścić w sekcji finally. Trzeba by się było jednak liczyć z tym, że blok try nie jest darmowy i jego użyciu nakłada pewien narzut.

I przede wszystkim: RAII i finally nie wykluczają się nawzajem. Dlatego obecność tego drugiego mechanizmu w C++ na pewno by nam nie zaszkodziła :)