跨编译单元的初始化次序问题浅析
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如果某编译单元内的某个non-local static对象的初始化动作使用了另一编译单元内的某个non-local static对象,它所用到的这个对象可能尚未被初始化,因为C++对“定义于不同编译单元内的non-local static对象”的初始化次序并无明确定义。
实例可以帮助理解。假设你有一个FileSystem class,它让互联网上的文件看起来好像位于本机(local)。由于这个class使世界看起来像个单一文件系统,你可能会产出一个特殊对象,位于global或namespace作用域内,象征单一文件系统:
class FileSystem { //来自你的程序库
public:
...
std: :size_t numDisks () const; //众多成员函数之一
...
};
extern FileSystem tfs; //预备给客户使用的对象;
“tfs 代表"the file system’,
FileSystem对象绝不是一个稀松平常无关痛痒的(trivial)对象,因此你的客户如果在theFileSystem对象构造完成前就使用它,会得到惨重的灾情。
现在假设某些客户建立了一个class用以处理文件系统内的目录(directories)。很自然他们的class会用上theFileSystem对象:
class Directory { //由程序库客户建立
public:
Directory( params );
...
};
Directory::Directory( params )
{
std::size t disks = tfs.numDisks ();//使用 tfs对象
}
进一步假设,这些客户决定创建一个Directory对象,用来放置临时文件:
Directory tempDir ( params ); //为临时文件而做出的目录
现在,初始化次序的重要性显现出来了 :除非tfs在tempDir之前先被初始化,否则tenpDir的构造函数会用到尚未初始化的tfs。但tfs和tempDir是不同的人在不同的时间于不同的源码文件建立起来的,它们是定义于不同编译单元内的non-local static对象。如何能够确定tfs会在tenpDir之前先被初始化?
喔,你无法确定。再说一次,C++对"定义于不同的编译单元内的non-local static 对象"的初始化相对次序并无明确定义。这是有原因的:决定它们的初始化次序相当困难,非常困难,根本无解。在其最常见形式,也就是多个编译单元内的non-localstatic对象经由“模板隐式具现化.implicit template instantiations”形成(而后者自己可能也是经由“模板隐式具现化”形成),不但不可能决定正确的初始化次序,甚至往往不值得寻找“可决定正确次序”的特殊情况。
幸运的是一个小小的设计便可完全消除这个问题。唯一需要做的是:将每个non-local static对象搬到自己的专属函数内(该对象在此函数内被声明为static)。这些函数返回一个reference指向它所含的对象。然后用户调用这些函数,而不直接指涉这些对象。换句话说,non-local static对象被local static对象替换了。
这个手法的基础在于:C++保证,函数内的local static对象会在“该函数被调用期间”“首次遇上该对象之定义式”时被初始化。所以如果你以“函数调用”(返回一个reference指向local static对象)替换“直接访问non-local static对象”,你就获得了保证,保证你所获得的那个reference将指向一个历经初始化的对象。更棒的是,如果你从未调用non-local static对象的“仿真函数”,就绝不会引发构造和析构成本;真正的non-local static对象可没这等便宜!
以此技术施行于tfs和tempDir身上,结果如下:

这么修改之后,这个系统程序的客户完全像以前一样地用它,唯一不同的是他们现在使用tfs()和tempDir()而不再是tfs和tempDir。也就是说他们使用函数返回的“指向static对象”的references,而不再使用static对象自身。
这种结构下的reference-returning函数往往十分单纯:第一行定义并初始化一个local static对象,第二行返回它。这样的单纯性使它们成为绝佳的inlining候选人,尤其如果它们被频繁调用的话。
但是从另一个角度看,这些函数“内含static对象”的事实使它们在多线程系统中带有不确定性。再说一次,任何一种non-const static对象,不论它是local或non-local,在多线程环境下“等待某事发生”都会有麻烦。处理这个麻烦的一种做法是:在程序的单线程启动阶段(single-threaded startup portion)手工调用所有 reference-returning 函数,这可消除与初始化有关的“竞速形势(raceconditions)"。
当然啦,运用reference-returning函数防止“初始化次序问题”,前提是其中有着一个对对象而言合理的初始化次序。如果你有-个系统,其中对象A必须在对象B之前先初始化,但A的初始化能否成功却又受制于B是否已初始化,这时候你就有麻烦了。坦白说你自作自受。只要避开如此病态的境况,此处描述的办法应该可以提供你良好的服务,至少在单线程程序中。
既然这样,为避免在对象初始化之前过早地使用它们,你需要做三件事。第一,手工初始化内置型non-member对象。第二,使用成员初值列(member initializationlists)对付对象的所有成分。最后,在“初始化次序不确定性”(这对不同编译单元所定义的non-local static对象是一种折磨)氛围下加强你的设计。
文章作者 Forz
上次更新 2017-08-30