局部静态变量只能初始化一次是怎么实现？

Posted 2020-11-23 yilang

静态变量可以分为全局静态变量，和局部静态变量，先来说说全局的吧。全局静态变量和全局变量的区别并不大，只是全局静态变量只能在当前文件中使用，而在反汇编中二者并无区别，只可以在当前文件中使用，不过是编译器做出的限制。局部静态变量，会有些特殊，它不会随着作用域结束而消失，在未进入作用于之前就已经存在。局部静态变量和全局变量都保存在二进制文件的数据区，而在代码中的限制，不过是编译器限制而已。

那么当某个函数频繁调用局部静态变量时，C++的语法规定局部静态变量只能初始化一次，那么编译器是怎么做到的呢。

来看代码：

void ShowStatic(int nNum)
{
    static int gnNumber = nNum;
    printf("%d
", gnNumber);
}

void main()
{
    ShowStatic(99);
}

汇编代码：

00E51738  mov         eax,dword ptr ds:[00E5A148h] 
00E5173D  and         eax,1 
00E51740  jne         ShowStatic+47h (0E51757h) 
00E51742  mov         eax,dword ptr ds:[00E5A148h] 
00E51747  or          eax,1 
00E5174A  mov         dword ptr ds:[00E5A148h],eax 
00E5174F  mov         eax,dword ptr [nNum] 
00E51752  mov         dword ptr [gnNumber (0E5A144h)],eax

可以看出，静态变量的赋值比普通变量赋值多了很多步骤，我们来分析下。

首先在地址00E5A148h中保存了局部静态变量的标志，这个标志占1个字节。通过位运算，将标志中的一位数据置1，来判断局部静态变量是否初始化过。而这个标志可以同时保存8个局部静态变量的初始状态。

通常这个标志出现在最先定义的局部静态变量的附近，例如此例局部变量应出现在 00E5A144h 或 00E5A14Ch中。当同一个作用域内超过了8个静态局部变量，下一个标记将会除了现在第9个定义的局部静态变量地址的附近。现在再来看上面的汇编代码就很清晰了：

00E51738  mov         eax,dword ptr ds:[00E5A148h] 
00E5173D  and         eax,1 
00E51740  jne         ShowStatic+47h (0E51757h)

断是否已经初始化，如果已经初始化就跳转到printf输出内容，否则不跳转继续执行。

00E51742  mov         eax,dword ptr ds:[00E5A148h] 
00E51747  or          eax,1 
00E5174A  mov         dword ptr ds:[00E5A148h],eax 
00E5174F  mov         eax,dword ptr [nNum] 
00E51752  mov         dword ptr [gnNumber (0E5A144h)],eax

未初始化的情况，将标志位置位为1，并初始化gnNumber。

还有这样一个问题，编译器让其他作用域对局部静态变量不可见，这是怎么做到的？在编译的过程中，编译器会对变量，函数等进行名称粉碎，也就是静态变量被重新命名了。

我们观察下编译期结束后生成的obj文件，在这个文件中搜索静态变量的名字(本文用HxD软件打开obj文件)，搜索结果如下图：

 

 

名称粉碎后，在原有名称中加加入了一些额外信息，入作用域，类型等。像C++重载也是名称粉碎的原理。

下面的汇编是在C++11中编译的结果，显然和上文的有些差距：

static int gnNumber = nNum;
00C11818  mov         eax,dword ptr [_tls_index (0C1B190h)] 
00C1181D  mov         ecx,dword ptr fs:[2Ch] 
00C11824  mov         edx,dword ptr [ecx+eax*4] 
00C11827  mov         eax,dword ptr ds:[00C1B150h] 
00C1182C  cmp         eax,dword ptr [edx+104h] 
00C11832  jle         ShowStatic+6Fh (0C1185Fh) 
00C11834  push        0C1B150h 
00C11839  call        __Init_thread_header (0C110DCh) 
00C1183E  add         esp,4 
00C11841  cmp         dword ptr ds:[0C1B150h],0FFFFFFFFh 
00C11848  jne         ShowStatic+6Fh (0C1185Fh) 
00C1184A  mov         eax,dword ptr [nNum] 
00C1184D  mov         dword ptr [gnNumber (0C1B14Ch)],eax 
00C11852  push        0C1B150h 
00C11857  call        __Init_thread_footer (0C11177h) 
00C1185C  add         esp,4

前三行代码：

00C11818  mov         eax,dword ptr [_tls_index (0C1B190h)] 
00C1181D  mov         ecx,dword ptr fs:[2Ch] 
00C11824  mov         edx,dword ptr [ecx+eax*4]

TLS？怎么还多了两个函数？__Init_thread_header和_Init_thread_footer。这两个函数是用来保证局部的静态对象的初始化线程安全。但局部变量的互斥还是老样子，只不过被封装进上述的两个函数之中了。