C++基础之static的二三事

静态成员的初始化

静态成员——不能在类内初始化

在C++中，类的静态成员（static member）必须在类内声明，在类外初始化：

class A {  
private:
    static int count ; // 类内声明
};

int A::count = 0 ; // 类外初始化，不必再加static关键字

为什么？

因为静态成员属于整个类，而不属于某个对象，如果在类内初始化，则该类再一次创建对象时静态成员将再一次被“初始化”（变成初始值），会修改其他对象对该静态变量操作的意图，可能发生意外。

上例中，如果不增加 int A::count = 0 ; //变量定义 ，在编译的时候将会报出：‘A::count’未定义的引用”错误。这是因为静态成员变量count未定义，也就是还没有分配内存，显然是不可以访问的。

《c++primer》里面说在类外定义和初始化是保证static成员变量只被定义一次的好方法。

类内初始化的例外——静态常量成员

能在类中初始化的成员只有一种，那就是静态常量成员。

class A {  
private:
    static int count = 0; // 静态成员不能在类内初始化
};

class A {  
private:
    const int count = 0; // 常量成员也不能在类内初始化
};

class A {  
private:
    static const int count = 0; // 静态常量成员可以在类内初始化
};

为什么？ 

C语言中，一个函数里定义一个static变量是为了保证只初始化一次。

而针对类内初始化存在的静态成员随新建对象被初始值反复覆盖可能导致的问题，const修饰符使得这种问题得以避免（因为初始值不能被修改）。

结论

• 静态常量数据成员可以在类内初始化（即类内声明的同时初始化），也可以在类外，即类的实现文件中初始化，不能在构造函数中初始化，也不能在构造函数的初始化列表中初始化；
• 静态非常量数据成员只能在类外，即类的实现文件中初始化，也不能在构造函数中初始化，不能在构造函数的初始化列表中初始化；
• 非静态的常量数据成员不能在类内初始化，也不能在构造函数中初始化，而只能且必须在构造函数的初始化列表中初始化；
• 非静态的非常量数据成员不能在类内初始化，可以在构造函数中初始化，也可以在构造函数的初始化列表中初始化；

类型  初始化方式	类内（声明）	类外（类实现文件）	构造函数体中	构造函数的初始化列表
非静态非常量数据成员	N	N	Y	Y
非静态常量数据成员	N	N	N	Y(Must)
静态非常量数据成员	N	Y(Must)	N	N
静态常量数据成员	Y	Y	N	N

必须初始化列表的类型

1. 非静态常量
2. 引用类型
3. 没有默认构造函数的类类型

静态成员的内存分配

考虑这样的情况：

class A {
public:
    A() {
        sleep(10); // 故意让初始化过程放慢
        m_num = 1;
    };
    ~A() {};
    void print(int index) { 
        printf("[%d] - %d", index, m_num); 
    }
        
private:
        int m_num;
};

void func(int index) {
    static A a; // 静态局部变量，默认构造
    
    // A b;
    //static A a = b; // 静态局部变量，拷贝构造
    a.print(index);
}

int main() {
    // 三个线程同时执行
    boost::thread trd1(boost::bind(&func, 1));
    boost::thread trd2(boost::bind(&func, 2));
    boost::thread trd3(boost::bind(&func, 3));
    
    sleep(1000);
    return 0;
}

请问，这个类对象局部变量是在什么时候分配内存和初始化的？拷贝构造的时候呢？
实际测试，当有3个线程同时执行func操作时，会有m_num = 0的输出，证明至少A对象的初始化过程没有完成。

解析

对于C语言的全局和静态变量，不管是否被初始化，其内存空间都是全局的；如果初始化，那么初始化发生在任何代码执行之前，属于编译期初始化。由于内置变量无须资源释放操作，仅需要回收内存空间，因此程序结束后全局内存空间被一起回收，不存在变量依赖问题，没有任何代码会再被执行！

C++引入了对象，这给全局变量的管理带领新的麻烦。C++的对象必须有构造函数生成，并最终执行析构操作。由于构造和析构并非分配内存那么简单，可以说相当复杂，因此何时执行全局或静态对象（C++）的构造和析构呢？这需要执行相关代码，无法在编译期完成，因此C++标准规定：全局或静态对象当且仅当对象首次用到时才进行构造，并通过atexit()来管理对象的生命期，在程序结束之后（如调用exit，main），按FILO顺序调用相应的析构操作！

结论

全局变量、文件域的静态变量和类的静态成员变量在main执行之前的静态初始化过程中分配内存并初始化；局部静态变量（一般为函数内的静态变量）在第一次使用时分配内存并初始化。这里的变量包含内置数据类型和自定义类型的对象。

静态变量初始化的线程安全问题（C++11）

非局部静态变量一般在main执行之前的静态初始化过程中分配内存并初始化，可以认为是线程安全的；

局部静态变量在编译时，编译器的实现一般是在初始化语句之前设置一个局部静态变量的标识来判断是否已经初始化，运行的时候每次进行判断，如果需要初始化则执行初始化操作，否则不执行。这个过程本身不是线程安全的。

C++11标准针规定了局部静态变量初始化需要保证线程安全，具体说明如下：

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

新的编译器大多对C++11的标准支持，因此也保证了这一点，但是C++03标准之前并无此说明，所以很多旧版本的编译器并不能完全支持。

注：VS2008 测试多线程的条件下虽然只有一个线程执行一次初始化，但非初始化的线程并不会等待初始化结束，而是立即返回未正确初始化的静态对象。

针对局部静态变量初始化的线程安全性，g++编译器的实现相当于使用了一个全局锁来控制一个局部静态变量的标识（标识用来判定是否已经初始化）。详情参考：http://www.cnblogs.com/xuxm2007/p/4652944.html

实现

以前的标准都没有规定局部静态变量的初始化在并发模式下是否安全，很多旧版本的编译器并没有处理它的并发安全问题。因此在不支持C++11标准的编译环境下，多线程程序最好不要使用需要明显初始化的局部静态变量（对象），如果需要使用（比如单例模式中），则可以考虑使用一个全局锁或静态成员变量锁，最好不要使用局部静态变量锁，因为其本身存在一个构造的问题，多个线程获取实例的时候，可能会出现一个线程在进行锁对象构造，另一个线程则避开了构造，在锁对象还没有完全构造完成的情况下，就lock了，这个时候的行为能不能成功锁定取决于锁的实现了，虽然一般的实现不会出现问题但终归不是很严谨。

参考资料

https://blog.csdn.net/jiayi_yao/article/details/50998765

https://segmentfault.com/q/1010000004157283