41. C++static线程安全与初始化顺序

静态变量的初始化线程安全问题

C++的局部static变量，是预先在静态存储区分配了内存，然后在第一次执行到这里的时候进行初始化。

C++11 规定了局部static变量的线程安全，实现上应该是类似std::call_once的实现，我估计基本上就是基于cas的spin-lock，这里当然可以根据编译器不同有不同的实现。

按照静态变量初始化的时机，初始化过程可分为：编译时初始化和加载（运行）时初始化，前者主要发生在静态常量的编译过程中，如程序中“static int a = 3”因为此处3为常量，编译时就能确定，因此这里就发生的是编译时初始化，反之，如果不是编译时初始化，那就必定进行的是加载时初始化。

static变量经常被用来实现单例模式。一个单例模式的类中都包含一个指向static类实例的指针，并提供一个公共接口返回这个指针以实现对这个实例的调用。因为在程序整个执行周期中，static变量只加载一次，保证了“仅此一个”的事实，如下代码所示：

class A {
public:
    static A* getInstance() {
        if (instance_ == NULL) 
        	instance_ = new A();
        return instance_;
    }
private:
	static A* instance_;
}
//static变量在类外定义
A* A::instance_ = NULL;

如上代码就实现了一个简单的C++单例模式。在单线程程序中，这个单例类没有任何问题，但是在多线程环境下，很容易就能发现方法getInstance中存在race condition。

class A {
public:
    static A* getInstance() {
        static A instance_;
        return &instance_;
    }

根据static的语义，其只在程序对类A加载时进行一次初始化，全局只有这一个实例。看起来很美好，而且代码更少了。但是这实际上是不对的，对于在编译时进行初始化的static变量，它一定是线程安全的，但是对于这种加载时进行初始化的变量，编译器生成的代码实际上类似这样：

static bool initialized = false;
static A instance_;
if (initialized == false) {
    initialized = true;
    instance_ = A();
}
return &instance_;

在C++11标准中，static的语义实际上已经是线程安全的了。引用C++11标准中的内容：

If control enters the declaration concurrently while the variable is being initialized,the concurrent execution shall wait for completion of the initialization.

在网站cppreference中，也有类似的描述：

If multiple threads attempt to initialize the same static local variable concurrently,the initialization occurs exactly once(since c++11)

静态变量初始化顺序

初始化

对于已经初始化的全局和静态变量时存放在可执行文件的数据段（.data），对于未初始化的全局和静态变量，则在BSS段中。

从可执行程序的角度来说，如果一个数据未被初始化，就不需要为其分配空间，所以.data 和.bss 的区别就是 .bss 并不占用可执行文件的大小，仅仅记录需要用多少空间来存储这些未初始化的数据，而不分配实际空间，编译器往往通过memset(bss_str, len, 0)进行初始化。

.bss段什么时候会进行真正的初始化呢？记得一开始接触全局变量和静态变量的时候，书上就有提到，在可执行程序执行之前(main函数运行之前)，会进行一些初始化操作，.bss就是在这个阶段进行初始化的。也就是说.data和.bss段的数据，在main()函数执行之前就初始化完成，那么，可以得出的结论是这部分数据不存在多线程竞争的问题(main()函数执行前还不存在多线程现象)。

初始化顺序

C++标准规定，在同一个编译单元中，对全局变量或者静态变量的初始化顺序与其定义顺序一致。但是对于不同的编译单元中的静态变量的初始化顺序，标准没有做规定，也就是说假如两个全局静态变量A和B分别存在与两个.cc文件中，那么编译器对于这俩的初始化顺序是不确定的。

解决

既然出现了因为不同编译单元中的静态变量初始化导致，那么就需要针对性的解决这个问题，通常有如下几个方案：

• 将所有的静态全局变量放在一个编译单元中(如果涉及到依赖的话，需要修改顺序)。
• 强制编译器在编译阶段进行初始化，通常有constexpr和constinit两种。
• Initialization On First Use，即在使用时候，通过函数获取静态对象的方式进行初始化。