C++仿制静态构造函数

在《C++的头文件和实现文件分别写什么》文章中，我对于的C++的数据成员，逐个分析了可以作用在它们上边的限定符都有哪些，以及它们所对应的进行初始化的位置。可以看出这些修饰符其实就是const和static的两种的组合，但是却有不同的效用。

本文，我想讲关于static的问题，《C++的头文件和实现文件分别写什么》已经指出如果数据成员被声明为static，那么它在编译时就必须被初始化。仅含static的则放在类之外，实现文件之中；同时含有的const的则放在类之内，直接跟在数据的定义之后。

在我实际代码编写中碰到的问题是：static成员的初始化比较的复杂，步骤较多，需要调用另一个函数来完成。此时，简单使用赋值语句就不太能完成那些目的了。

这个问题来源于我在OpenGL中想使用gluCylinder()函数，该函数需要传入一个指向GLUquadric 对象的指针。其初始化的过程如下：

GLUquadric * quad = gluNewQuadric();
gluQuadricDrawStyle(quad, GLU_FILL);
gluQuadricNormals(quad, GLU_SMOOTH);

我将我要画的图抽象成了一个类，将gluCylinder()的画图过程封装在了一个函数之中。可以看出quad实际上只是用来指示所画的图形的样式和表面向量的计算方式。因此，我觉得完全可以定义为static让所有类对象共享。

于是我就碰到了static初始化难的问题。同样的问题还可能发生在容器(Container)类型中，比如我们想要对static的容器类型装入一些初始的值。

如果是C#，它提供了静态构造函数(static constructor)。在MSDN上，对于静态构造函数的表述如下：

    静态构造函数既没有访问修饰符，也没有参数。

    在创建第一个实例或引用任何静态成员之前，将自动调用静态构造函数来初始化类。

• 静态构造函数既没有访问修饰符，也没有参数。
• 在创建第一个实例或引用任何静态成员之前，将自动调用静态构造函数来初始化类。
• 无法直接调用静态构造函数。
• 在程序中，用户无法控制何时执行静态构造函数。
• 静态构造函数的典型用途是：当类使用日志文件时，将使用这种构造函数向日志文件中写入项。
• 静态构造函数在为非托管代码创建包装类时也很有用，此时该构造函数可以调用 LoadLibrary 方法。
• 如果静态构造函数引发异常，运行时将不会再次调用该构造函数，并且在程序运行所在的应用程序域的生存期内，类型将保持未初始化。

 

可惜C++没有提供静态构造函数的构造方式，只能另辟蹊径来寻求解决方案:

1. 提供一个静态(非静态亦可)辅助函数来完成初始化操作；
2. 放弃static修饰符，让每个类都有自己的一份。

对于方案1，我们就需要在使用静态成员之前，在代码中显示地调用一次初始化函数。这就没有C#静态构造函数“自动”、“隐式”的优点了。但是一旦忘记调用初始化方程，我们就会得到错误的数据。而且遗忘的可能性又是如此之大。

当然我们可以限定成Get方法，在调用数据的地方（无论是类外部，还是类其他函数的调用）都使用Get方法，这样我们可以一定程度上做到“自动”和“隐式”。

当然我们需要防止成员被初始化两次以上。对于指针类型，我们可以用判断是否为空指针来辨别是否已经初始化了（这就相当于是个Singleton Pattern）；对于容器类型，我们可以判定容器内成员的数目来辨别（如果我们的初始话数目是一定的）。但是如果是一个普通的对象，似乎就需要多一个标记来进行指示了。

class Picture
{
public:
    virtual ~Picture(){}

    GLUquadric* GetQudric()
    {
        //General way to avoid twice initialization.
        static bool inited = false;
        
        if (!inited)
        {
            quad = gluNewQuadric();
            gluQuadricDrawStyle(quad, GLU_FILL); 
            gluQuadricNormals(quad, GLU_SMOOTH);
　　　　　　　inited = true;
        }
        
        return quad;
    }
protected:
    
    static GLUquadric* quad;    
};

GLUquadric* Picture::quad;

 

对于方案2，如果是像我在OpenGL里面需要的成员只是作为辅助，显然没有问题。可是假如我们就是希望能够对数据进行共享的话，自然就失去了意义。

 

其实很多问题，前人都已经做了优美的解决方法，主动学习要好于闭门造车。所以Google一下，在stackoverflow高手们就给了一个更加接近于静态构造函数的方法：

To get the equivalent of a static constructor, you need to write a separate ordinary class to hold the static data and then make a static instance of that ordinary class.
(将需要使用static的数据用一个普通类来进行封装， 在该类的构造函数中进行所需的初始化步骤。然后在原来的类中定义一个该类的静态对象。)

以我所需的GLUquadric为例，我构建了一个新的Quadric类，该类具有GLUquadric指针成员，并且提供了一个对外的接口。然后，我在要使用的GLUquadric的静态指针对象类里，改用Quadric静态对象。这样我们就能做到了隐式地自动地进行初始化了。

 

//Header File

#ifndef QUADRIC_H
#define QUADRIC_H

class Quadric
{
public:
    Quadric()
    {
        quad = gluNewQuadric();
        gluQuadricDrawStyle(quad, GLU_FILL); 
        gluQuadricNormals(quad, GLU_SMOOTH);
    }
    ~ Quadric(){ if(quad)gluDeleteQuadric(quad); }
    
    GLUquadric * Object(){return quad;}
    
private:
    GLUquadric * quad;
};

class Picture
{
public:
    virtual ~Picture(){}
    void DrawTrunk();
protected:
    static Quadric quadric;    
};

#endif

//Implementation File

//Definition static member data
Quadric Picture::quadric;

void Picture::DrawTrunk()
{
    glPushMatrix();

    glRotated(-90, 1, 0, 0);
    glColor3f(0.625, 0.14, 0.14);
    glScalef(7, 7, 21);
    gluCylinder(quadric.Object(), 1, 1, 1, 20, 20);    
    
    glPopMatrix();
}

如果所用静态数据是对象而非指针的话，对外的接口返回类型可以从指针换成引用类型。

另外，因为我们有类将其包裹，所以我们可以把数据的销毁过程也封装在类的析构函数之中。不过因为对象是以static形式被使用的，所以从程序开始被创建，直到程序结束被自动销毁。所以大部分时候，其实不需要去考虑析构的问题。

唯一的不足，可能就是原本是直接调用我们需要的对象或直接，现在则需要通过新类的接口访问。

不过我们也可以重载一些转换运算符来一定程度的规避这个问题：

class Quadric
{
public:
    Quadric()
    {
        quad = gluNewQuadric();
        gluQuadricDrawStyle(quad, GLU_FILL); 
        gluQuadricNormals(quad, GLU_SMOOTH);
    }
    ~ Quadric(){ if(quad)gluDeleteQuadric(quad); }
    
    GLUquadric * Object(){return quad;}
    
    //operators overloading
    operator GLUquadric *(){ return quad; }
    operator GLUquadric &(){ return* quad; }
    GLUquadric& operator *(){ return* quad; }
    
private:
    GLUquadric * quad;
};

---

Director: Jim Fawcett

1. Stackoverflow - static constructors in C++? need to initialize private static objects
2. Static Constructors (C# Programming Guide)
3. C++ FAQ - [10.15] How do I prevent the "static initialization order fiasco"?
4. Conversion Functions (C++)