RAII 作为一种模式

本课属于 Coddy C++ 学习旅程的“面向对象编程”单元。第 102 课，共 104 课。

RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 不只是一种 C++ 惯用法，更是一种强大的设计模式，它将资源管理与对象的生命周期绑定在一起。你已经在智能指针中见过 RAII，但这种模式适用于任何资源：文件句柄、网络连接、互斥锁或数据库事务。

核心思想很简单：在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源。由于 C++ 保证对象超出作用域时会运行析构函数，因此清理会自动进行，即使发生异常也一样：

#include <iostream>
#include <fstream>

class FileGuard {
    std::ofstream file;
public:
    FileGuard(const std::string& filename) : file(filename) {
        if (!file.is_open()) {
            std::cout << "Failed to open file\n";
        }
    }
    
    void write(const std::string& text) {
        if (file.is_open()) file << text;
    }
    
    ~FileGuard() {
        if (file.is_open()) {
            file.close();
            std::cout << "File closed automatically\n";
        }
    }
};

int main() {
    {
        FileGuard guard("output.txt");
        guard.write("Hello RAII");
    }  // 这里会调用析构函数，关闭文件
    
    std::cout << "After scope\n";
}

在多线程代码中管理锁时，RAII 的优势尤为明显。标准库中的 std::lock_guard 遵循这种模式：构造时获取互斥锁，析构时释放互斥锁，避免因忘记解锁而导致死锁。

实现 RAII 类时，记得删除或正确实现复制/移动操作（五法则），以防止资源重复或重复释放问题。RAII 能将容易出错的手动资源管理转变为安全、自动的清理。

挑战

简单

让我们使用 RAII 构建一个连接池管理器，以安全地管理数据库连接。在实际应用中，数据库连接是开销很大的资源，必须妥善获取和释放。你将创建一个 RAII 包装器，确保连接始终归还到连接池，即使发生异常或代码路径变得复杂也是如此。

你将把代码分成三个文件：

ConnectionPool.h：创建一个简单的连接池，用于管理数量有限的连接。
你的 ConnectionPool 类应跟踪可用连接的数量（初始容量由构造函数接收）。实现以下功能：
- acquire()：如果有可用连接，就减少计数并打印 Connection acquired (X available)，其中 X 是剩余数量；成功时返回 true，没有可用连接时返回 false
- release()：增加可用连接的数量，并打印 Connection released (X available)
- available()：返回当前可用连接的数量
ConnectionGuard.h：构建一个 RAII 包装器，用于安全地管理单个连接。
你的 ConnectionGuard 类应体现 RAII 模式。它应：
- 在构造函数中接收一个 ConnectionPool 的引用，并尝试获取连接
- 保存获取连接是否成功
- 提供 isConnected() 方法，用于检查守卫是否持有有效连接
- 在析构函数中自动将连接释放回连接池（仅当成功获取连接时）
- 删除复制构造函数和复制赋值运算符，以防止资源被重复使用（考虑五法则）
析构函数运行时，如果持有连接，请在调用连接池的 release 之前打印 Guard releasing connection。
main.cpp：通过作用域演示 RAII 的自动清理功能。
读取两个输入值：
1. 连接池容量（整数）
2. 请求的连接数量（整数）
使用给定的容量创建一个 ConnectionPool。然后，在一个嵌套作用域中（使用花括号），创建指定数量的 ConnectionGuard 对象，并将它们存储在一个 vector 中。对于每个守卫，打印它是否成功连接：
- 如果已连接：Guard N: Connected
- 如果未连接：Guard N: Failed to connect
（N 从 1 开始）

作用域结束后（守卫被销毁），打印 After scope: X connections available，显示连接池的最终状态。

例如，输入 2 和 3 时：

Connection acquired (1 available)
Guard 1: Connected
Connection acquired (0 available)
Guard 2: Connected
Guard 3: Failed to connect
Guard releasing connection
Connection released (1 available)
Guard releasing connection
Connection released (2 available)
After scope: 2 connections available

输入 3 和 2 时：

Connection acquired (2 available)
Guard 1: Connected
Connection acquired (1 available)
Guard 2: Connected
Guard releasing connection
Connection released (2 available)
Guard releasing connection
Connection released (3 available)
After scope: 3 connections available

注意，当守卫离开作用域时，连接会自动释放。你不会在主代码中显式调用 release。析构函数会按照构造的相反顺序运行（最后创建的守卫最先销毁），并且每个已获取的连接都会被确保归还。这就是 RAII 的优势：无论作用域如何退出，资源都会自动且可靠地清理。

亲手试试

#include <iostream>
#include <vector>
#include "ConnectionPool.h"
#include "ConnectionGuard.h"

using namespace std;

int main() {
    // 读取输入
    int capacity;
    int numConnections;
    cin >> capacity;
    cin >> numConnections;
    
    // TODO：创建一个容量为给定值的 ConnectionPool
    
    // TODO：用花括号创建一个嵌套作用域
    {
        // TODO：创建一个 vector 来存储 ConnectionGuard 对象
        // 提示：你需要使用指针或智能指针，因为 ConnectionGuard
        // 的拷贝构造函数已被删除
        
        // TODO：通过循环创建 numConnections 个 guard
        // 对于每个 guard，打印以下两者之一：
        // "Guard N: Connected" 或 "Guard N: Failed to connect"
        // 其中 N 从 1 开始
        
    }
    // 作用域结束时，guard 会在这里被销毁
    
    // TODO：打印 "After scope: X connections available"
    
    return 0;
}

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