C++ RAII在HotSpot VM中的重要应用

RAII（Resource Acquisition Is Initialization），也称为“资源获取就是初始化”，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的惯用法。C++标准保证任何情况下，已构造的对象最终会销毁，即它的析构函数最终会被调用。简单的说，RAII的做法是使用一个对象，在其构造时获取资源，在对象生命期控制范围之下对资源的访问始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。
在HotSpot VM中，RAII对内存资源的管理和释放、明确定义范围锁及记录重要信息等方面起到了非常重要的作用。下面详细介绍一下。

1、定义范围锁

在HotSpot VM中，整个系统正确的运转需要非常多的锁，这些锁很多都是通过RAII技术来管理的。
举个例子，如下：

class MutexLocker {
private:
    pthread_mutex_t *_mtx;
public:
    MutexLocker(pthread_mutex_t *mtx) {
        if (mtx) {
            _mtx = mtx;
            pthread_mutex_lock(_mtx);
        }
    }

    ~MutexLocker() {
        if (_mtx)
            pthread_mutex_unlock(_mtx);
    }
};

在类的构造和析构函数中对互斥量进行加载和释放锁。也就是说，当对象创建的时候会自动调用构造函数，当对象超出作用域的时候会自动调用析构函数。

现在我们通过如上的类将一段代码保护起来，防止产生并发问题：

// 初始化互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void init(){
    MutexLocker locker(&mutex);
    // 整个方法都会在同步锁的保护下执行
}

我们还可以通过匿名块来进一步细化锁控制的范围。当进入作用域范围时，C++会自动调用MutexLocker的构造函数，当出了作用域范围时，会调用MutexLocker析构函数。这样通过类来管理锁资源，将资源和对象的生命周期绑定。在Java中有个类似的、饱受诟病的一种释放资源的办法，重写finalize()方法，由于开发人员无法对Java对象的生命周期进行精确控制，而是托管给了Java虚拟机GC，所以对象什么时候回收是一个未知数，为应用程序埋下了一个定时炸弹。不过另外一个类似的语法try-with-resources提倡使用。
在HotSpot VM中，在runtime/mutex.hpp文件中定义了互斥量Mutex，这个互斥量继承自Monitor，HotSpot VM内部的并发非常依赖Monitor。在runtime/mutexLocker.hpp文件中定义了MutexLocker、MutexLockerEx等类来控制锁范围。

2、管理内存资源

管理内存资源的一些类有HandleMark、ResourceMark等，HandleMark用来管理句柄，ResourceMark用来管理临时使用的内存。
HandleMark我在之前已经介绍的非常详细了，可参考如下文章：
第2.7篇-操作句柄Handle
第2.8篇-句柄Handle的释放
ResourceMark的实现也非常类似。
由于Java类常量池中的字符串、还有一些公共字符串在HotSpot VM中都用Symbol实例来表示，如果想要看某个Klass实例表示的具体的类名称，我有时候会这样做：

{
 ResourceMark rm;
 Symbol *sym = _klass->name();
 const char *klassName = (sym->as_C_string());
 // ...
}

调用的as_C_string()函数实现如下：

char* Symbol::as_C_string() const {
  int len = utf8_length();
  char* str = (char*) resource_allocate_bytes( (len + 1) * sizeof(char) );
  return as_C_string(str, len + 1);
}

extern char* resource_allocate_bytes(size_t size, AllocFailType alloc_failmode) {
  ResourceArea* ra = Thread::current()->resource_area();
  return ra->allocate_bytes(size, alloc_failmode);
}

可以看到从ResourceArea中申请了内存，那就必须要记录，完成调用之后恢复调用之前的样子，这样才不会让内存处在不一致的状态，从而导致崩溃，所以必须要使用ResourceMark。

3、保存重要信息

阅读HotSpot VM源代码的人一定会对JavaCalls::call_helper()函数中的如下这段代码不陌生：
C++ RAII在HotSpot VM中的重要应用-LMLPHP
从HotSpot VM内部调用Java方法时，通常会调用到call_helper()函数，所以这也是HotSpot VM调用Java主类main()方法的关键入口，在这个函数中我们能够看到HandleMark的使用，另外还有一个JavaCallWrapper，这个类主要有2个作用：
（1）管理内存资源，在第42篇-JNI引用的管理（1）已经详细介绍过，这里不再介绍。
（2）记录Java调用栈的重要信息，退栈等操作非常依赖这些信息。
变量名叫link非常贴切，它的起用就是将Java栈连接起来，其大概的实现过程如下图所示。
C++ RAII在HotSpot VM中的重要应用-LMLPHP

后面我们在介绍具体的知识点时再详细介绍这些内容。

RAII技术被认为是C++中管理资源的最佳方法，进一步引申，使用RAII技术也可以实现安全、简洁的状态管理，编写出优雅的异常安全的代码。它利用栈对象在离开作用域后自动析构的语言特点，将受限资源的生命周期绑定到该对象上，当对象析构时以达到自动释放资源的目的。

简单而言RAII就是指资源在我们拿到时就已经初始化，一旦不在需要该资源就可以自动释放该资源。

本人最近准备出一个手写Hotspot VM的课程，超级硬核，从0开始写HotSpot VM，将HotSpot VM所有核心的实现全部走一遍，如感兴趣，速速入群。

群里可讨论虚拟机和Java性能剖析与故障诊断等话题，欢迎加入。
C++ RAII在HotSpot VM中的重要应用-LMLPHP

HotSpot-Researcher