Effective C++ 2e Item47

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条款47: 确保非局部静态对象在使用前被初始化

大家都是成年人了,所以用不着我来告诉你们:使用未被初始化的对象无异于蛮干。事实上,关于这个问题的整个想法会让你觉得可笑;构造函数可以确保对象在创建时被初始化,难道不是这样吗?

唔,是,也不是。在某个特定的被编译单元(即,源文件)中,可能一切都不成问题;但如果在某个被编译单元中,一个对象的初始化要依赖于另一个被编译单元中的另一个对象的值,并且这第二个对象本身也需要初始化,事情就会变得更复杂。

例如,假设你已经写了这样一个程序库,它提供一个文件系统的抽象,其中可能包括一个功能,使得互联网上的文件看起来就象在本地一样。既然程序库使得整个世界看起来象一个单独的文件系统,你就可以在程序库的名字空间(见条款28)中创建一个专门的对象,theFileSystem,这样,用户任何时候需要和程序库所提供的文件系统交互,都可以使用它:

class FileSystem { ... };            // 在个类在你
                                     // 的程序库中

FileSystem theFileSystem;            // 程序库用户
                                     // 和这个对象交互

因为theFileSystem表示的是很复杂的东西,所以它的构造重要而且必需;在theFileSystem还没构造之前就使用它会造成不可确定的行为。(然而,参考条款M17,象theFileSystem这样的对象,其初始化可以被有效、安全地延迟。)

现在假设某个程序库的用户创建了一个类,表示文件系统中的目录。很自然地,这个类使用了theFileSystem:

class Directory {                    // 由程序库的用户创建
public:
  Directory();
  ...
};

Directory::Directory()
{
  通过调用theFileSystem的成员函数
  创建一个Directory对象;
}

进一步假设用户想为临时文件专门创建一个全局Directory对象:

Directory tempDir;                  // 临时文件目录

现在,初始化顺序的问题变得很明显了:除非theFileSystem在tempDir之前被初始化,否则,tempDir的构造函数将会去使用还没被初始化的theFileSystem。但theFileSystem和tempDir是由不同的人在不同的时间、不同的文件中创建的。怎么可以确认theFileSystem在tempDir之前被创建呢?

任何时候,如果在不同的被编译单元中定义了 "非局部静态对象" ,并且这些对象的正确行为依赖于它们被初始化的某一特定顺序,这类问题就会产生。非局部静态对象指的是这样的对象:

· 定义在全局或名字空间范围内(例如:theFileSystem和tempDir),
· 在一个类中被声明为static,或,
· 在一个文件范围被定义为static。

很抱歉,"非局部静态对象" 这个术语没有简称,所以你要让自己习惯这种有点咬口的句子。

对于不同被编译单元中的非局部静态对象,你一定不希望自己的程序行为依赖于它们的初始化顺序,因为你无法控制这种顺序。让我再重复一遍:你绝对无法控制不同被编译单元中非局部静态对象的初始化顺序。

很自然地想知道,为什么无法控制?

这是因为,确定非局部静态对象初始化的 " 正确" 顺序很困难,非常困难,极其困难。即使在它最普通的形式下 ---- 多个被编译单元,多个通过隐式模板实例化所生成的非局部静态对象(隐式模板实例化时,它们本身可能都会产生这样的问题) ---- 不仅不可能确定正确的初始化顺序,往往连找一个可以确定正确顺序的特殊情况都不值得。

在 "混沌理论" 领域,有一个原理称为 "蝴蝶效应" 。这条原理声称,世界某个角落的一只蝴蝶拍动翅膀,会对大气产生微小的影响,从而导致某个遥远的地方天气模式的深刻变化。稍微准确一点来说也就是:对于某种系统,输入的微小干扰会导致输出彻底的变化。

软件系统的开发也表现了自身的 "蝴蝶效应"。一些系统对需求的细节高度敏感,需求发生细小的变化,实现系统的难易程度就会发生巨大的变化。例如,条款29说明,将一个隐式转换的要求从 "String到char*" 改为 "String到const char*",就可以将一个运行慢、容易出错的函数用一个运行快并且安全的函数来代替。

确保非局部静态对象在使用前被初始化的问题也和上面一样,它对你的实现细节十分敏感。但是,如果你不强求一定要访问 "非局部静态对象",而愿意访问具有和非局部静态对象 "相似行为" 的对象(不存在初始化问题),难题就消失了。取而代之的是一个很容易解决的问题,甚至称不上是一个问题。

这种技术 ---- 有时称为 "单一模式"(译注:即Singleton pattern,参见 "Design Patterns" 一书)---- 本身很简单。首先,把每个非局部静态对象转移到函数中,声明它为static。其次,让函数返回这个对象的引用。这样,用户将通过函数调用来指明对象。换句话说,用函数内部的static对象取代了非局部静态对象。(参见条款M26)

这个方法基于这样的事实:虽然关于 "非局部" 静态对象什么时候被初始化,C++几乎没有做过说明;但对于函数中的静态对象(即,"局部" 静态对象)什么时候被初始化,C++却明确指出:它们在函数调用过程中初次碰到对象的定义时被初始化。所以,如果你不对非局部静态对象直接访问,而用返回局部静态对象引用的函数调用来代替,就能保证从函数得到的引用指向的是被初始化了的对象。这样做的另一个好处是,如果这个模拟非局部静态对象的函数从没有被调用,也就永远不会带来对象构造和销毁的开销;而对于非局部静态对象来说就没有这样的好事。

下面的代码对theFileSystem和tempDir都采用了这一技术:

class FileSystem { ... };            // 同前
FileSystem& theFileSystem()          // 这个函数代替了
{                                    // theFileSystem对象

  static FileSystem tfs;             // 定义和初始化
                                     // 局部静态对象
                                     // (tfs = "the file system")

  return tfs;                        // 返回它的引用
}

class Directory { ... };             // 同前

Directory::Directory()
{
  同前,除了theFileSystem被
  theFileSystem()代替;
}

Directory& tempDir()                 // 这个函数代替了
{                                    // tempDir对象

  static Directory td;               // 定义和初始化
                                     // 局部静态对象

  return td;                         // 返回它的引用
}

系统被修改后,用户还是完全和以前一样编程,只是现在他们用的是theFileSystem()和tempDir(),而不是theFileSystem和tempDir。即,他们所用的是返回对象引用的函数,而不是对象本身。

这种返回引用的函数虽然采用了上面所讨论的技术,但函数本身总是很简单:第一行定义并初始化一个局部静态对象,第二行返回它,仅此而已。因为太简单,你可能很想把它声明为inline。条款33指出,对于C++语言规范的最新修订版本来说,这是一个非常有效的实现策略;但它同时指出,在使用之前,一定要确认你的编译器和标准中的相关要求要一致。如果编译器不符合最新标准,你又象上面那样使用内联,就可能造成函数以及函数内部静态对象有多份拷贝。这足以让一个成年的程序员哭泣。

至此已没有什么神秘之处了。为了使这一技术有效,一定要给对象一个合理的初始化顺序。如果你让对象A必须在对象B之前初始化,同时又让A的初始化依赖于B已经被初始化,你就会惹上麻烦,坦白说,是罪有应得。如果能避开这种不合理的情况,本条款所介绍的方案将会很好地为你提供帮助。

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