non-local static对象初始化顺序

non-local static对象

什么是non-local?，non-local这个术语其实是我在effective c++这本书中学到的术语，这个术语指的是非函数局部局部用域内的．那么non-local static对象有指的是什么呢？,其实说到static(不是指static关键字定义的对象)对象，至少可以排除那些内存是在堆中和栈中的对象了，所谓static对象指的是内存在data段和bss段中的对象．这类对象在整个程序的生命周期内都是存在的，除非程序结束否则会一直存在，利用static关键字声明的对象是static对象中的一种，但是如果是在函数内部定义的static对象，那么这种static对象被称为local static对象，除此之外的则是non-local static对象　比如:global作用域内的static对象，namespace作用域内的static对象，类作用域内使用static关键字声明的对象，file作用域内的static对象等．到此为止我相信我应该是把non-local static对象的含义解释清楚了吧．

为什么谈这个话题

其实我也是个C++的小白，自己在读书的过程中喜欢把自己不理解的，或者比较有意思的，很重要的知识点，通过实践和总结写成博客，其实这篇博客的主题就来自于effective C++(from item 4)．为何这个话题我觉得重要呢，其实C++难学其中有一个原因我认为是C++中存在很多无明确定义的地方．本文就是其中一个．在C++中对于定义在不同编译单元内的non-local static对象其初始化相对次序是无明确的定义的．主要原因是在于决定它们的初始化次序相当困难，非常困难，或者说根本无解，至于为什么其实我也不清楚，这是那些搞编译器的人需要做的事情．占且我们认为这是一个未解决的bug吧．先来解释下编译单元这个术语的含义吧，编译单元在这里指的的要进行编译的.cpp文件，一个.cpp文件就是一个编译单元． 如果在一个场景中，在两个不同的编译单元中存在两个static变量，并且其中一个static变量利用另外一个进行了初始化．那么很显然这是未定义的．因为两个static对象的初始化顺序是未定义的．为了更加直观，下面例举一个例子，如下:

first.cpp文件

#include <iostream>
#include "common.h"
test1 t1;

second.cpp文件

#include <iostream>
#include "common.h"
test2 t2;

last.cpp文件

#include <iostream>
#include "common.h"
using namespace std;

int main()
{
    cout << "Hello World" << endl;
    return 0;
}

common.h头文件

#ifndef _LIB_H_
#define _LIB_H_

#include <iostream>

using namespace std;
class test2;
extern test2 t2;

class test2
{
    public:
        test2()
        {
        value = 100;
            cout << "test2 construct" << endl;
        }

        void said()
        {
            cout << "I am test2 " << "value=" << value << endl;
        }
    private:
    int value;
};


class test1
{
    public:
        test1()
        {
            cout << "test1 construct" << endl;
            t2.said();
        }
};
#endif

定义了test1和test2两个类，在test1中调用了test2类的实例t2．first.cpp和second.cpp分别是t1和t2两个实例的初始化操作．因为两者的初始化顺序不明确，导致执行的结果是未定义的．下面是执行的结果．

#g++ -c -o first.o first.cpp 
#g++ -c -o second.o second.cpp 
#g++ -c -o last.o last.cpp 
#g++ last.o first.o second.o 
#./a.out 
test1 construct
I am test2 value=0
test2 construct
Hello World
#g++ last.o second.o first.o 
#./a.out 
test2 construct
test1 construct
I am test2 value=100
Hello World

首先很明确的是t1和t2的初始化是在main函数之前完成的，其实你会发现first.o和second.o编译的顺序影响了最终的输出结果．fisrt.o在前会导致t1先初始化，然后才到t2初始化，否则t2会先初始化，然后才到t1开始初始化，通过value的值很显而易见．通过上面的例子证实了non-local static对象存在的这个初始化顺序未定义的问题．

解决这个问题

尽管对于C++来说定义在不同编译单元内的non-local static对象其初始化相对次序是无明确的定义没有解决，但是幸运的是只要程序员们稍微通过一个小小的设计就可以完全消除这个bug，本文的最后一个部分就是来解决这个问题的．利用local static可以解决这个问题，这是因为local static对象会在函数被调用期间，首次遇到该对象的定义式时被初始化．是不是读起来挺绕口的?好吧，用这个方法改造上面的例子来说明这个问题吧．
first.cpp不需要任何改动，把second.cpp修改成下面的样子:

//为了节省篇幅只列出部分代码，头文件部分去掉了
test2& gettest()
{
    static test2 t2;
    return t2;
}

common.h 修改成下面这个样子

#ifndef _LIB_H_
#define _LIB_H_

#include <iostream>

using namespace std;
class test2;
test2& gettest();  //变成函数声明了
class test2
{
    public:
        test2():value(100)
        {
            //value = 100;
            cout << "test2 construct" << endl;
        }

        void said()
        {
            cout << "I am test2 " << "value" << value << endl;
        }
    int value;
};


class test1
{
    public:
        test1()
        {
            cout << "test1 construct" << endl;
            gettest().said(); //改成通过返回来获取t2的引用
        }
};
#endif

原来的non-local static对象t2变成了local static对象，利用了local static对象的一个特性就是不会在编译的时候自动初始化，然后在调用函数的时候碰到local static对象定义的时候才会对其进行初始化．写过单例的读者应该很清楚这种用法，单例的实现方式中有一种就是利用local static对象来完成的可以加快程序启动速度，因为local static对象在程序启动的时候不会进行初始化，只有在用的时候才会初始化的．