条款04：确定对象使用前已被初始化

Posted 2021-03-16 原野追逐

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• 1. 总结
• 2. 构造函数体 VS 初始化列表
• 3. 对象的初始化顺序问题

1. 总结

• 无论是在初始化列表中，还是在构造函数体内，请为内置类型对象进行手工初始化，因为C++不保证初始化它们
• 最好使用初始化列表进行初始化，而不要在构造函数体中使用赋值；初始化列表最好列出所有的成员变量，其排列顺序应该和它们在class中的声明顺序相同
• 为了避免"不同源文件内定义的non-local static对象在编译时的初始化顺序"问题，请以local static对象替换non-local static对象

2. 构造函数体 VS 初始化列表

在C++中，关于对象的初始化动作何时一定发生，何时不一定发生这个问题，最佳的处理办法就是：永远在使用对象之前先将它初始化。

• 对于内置类型对象，由于C++不保证是否初始化以及何时初始化它们，因此无论是在初始化列表中，还是在构造函数体内，你必须手工完成这项工作
• 对于自定义类型对象，初始化工作由构造函数进行，规则也很简单：确保每一个构造函数都将对象的每一个成员初始化

关于在构造函数中初始化，重要的一点是不要混淆了赋值和初始化。

class PhoneNumber { ... };
class ABEntry
{
private:
    std::string theName;
    std::string theAddress;
    std::list<PhoneNumber> thePhones;
    int numTimesConsulted;
public:
    ABEntry{const std::string &name, const std::string &address,
            const std::list<PhoneNumber> &phones};
};

/* 正确可行但不是最好的方法：在构造函数体内对成员变量进行赋值 */
ABEntry::ABEntry{const std::string &name, const std::string &address,
                 const std::list<PhoneNumber> &phones}
{
    theName = name;         //theName、theAddress、thePhones都是赋值，
    theAddress = address;   //而不是初始化。
    thePhones = phones;
    numTimesConsulted = 0;
}

/* 较好的方法：使用初始化列表对成员变量进行初始化 */
ABEntry::ABEntry{const std::string &name, const std::string &address,
                 const std::list<PhoneNumber> &phones}
        :theName(name),
         theAddress(address),
         thePhones(phones),
         numTimesConsulted(0)  //为了一致性，内置类型对象初始化最好也在初始化列表中进行
{

}

• 第一种方法基于赋值，首先调用default构造函数对theName、theAddress和thePhones进行初始化，然后进入构造函数，再分别对它们进行赋值。
• 第二种方法基于初始化列表，在初始化列表中使用3个参数分别对theName、theAddress和thePhones进行copy构造初始化。

对大多数类型而言，比起先调用default构造函数然后再调用operator =，单只调用一次copy构造函数是比较高效的，有时甚至高效得多。
而对于内置类型对象如numTimesConsulted，其初始化和赋值的成本是一样的，但为了一致性最好也通过初始化列表来初始化。

如果成员变量是const或reference，那么不管是内置类型还是自定义类型，都一定需要初值，不能被赋值，都只能通过初始化列表进行初始化（见条款5）。
为避免需要记住何时必须使用初始化列表，何时不需要，最简单的做法就是：

• 总是使用初始化列表
• 总是在初始化列表中列出所有成员变量
• 初始化列表中成员变量的排列顺序应该和它们在class中的声明顺序相同

但是，一些class有多个构造函数，而且有许多成员变量和/或base class，如果每个构造函数都使用初始化列表，那么就会造成大量的代码重复。
这种情况下，可以合理地对"赋值和初始化开销一样"的成员变量改用赋值操作，并将这些赋值操作封装到一个private init函数中，供所有构造函数调用。
这种做法在"成员变量的初始值来自于文件或数据库读入"时特别有用。然而，比起经由赋值操作完成的"伪初始化"，通过初始化列表完成的"真正初始化"通常更加可取。

3. 对象的初始化顺序问题

C++在单个对象创建时有着十分固定的成员初始化顺序，口诀就是"先父母，再客人，后自己"。

• 先调用父类的构造函数
• 再调用成员变量的构造函数，调用顺序与声明顺序相同
• 最后调用类自身的构造函数

如果已经在初始化列表中对base class和所有成员变量进行了初始化，那就只剩下一个问题——"不同源文件内定义的non-local static对象"的初始化问题。
先来明确下概念，函数内定义的static对象称为local static对象，其他地方定义的static对象称为non-local static对象。
现在，我们关心的问题涉及至少两个源文件，每个源文件中都至少含有一个non-local static对象，因此可能发生如下问题。

• 某个源文件中的non-local static对象初始化需要使用另一个源文件中的non-local static对象
• 但另一个源文件内的non-local static对象可能尚未被初始化

产生该问题的原因是C++对不同源文件中的non-local static对象初始化顺序没有明确定义，幸运的是通过一个小小的设计便可完全消除该问题，唯一需要做的是：

• 将每个non-local static对象放到自己的专属函数中，这些函数返回一个reference指向它所含的对象
• 然后用户调用这些专属函数，而不直接使用这些对象

该方法实际上是用local static对象替换了non-local static对象，这也是Singleton模式的一个常见实现手法。该方法之所以管用，是因为：

• C++保证函数内的local static对象会在该第一次调用该函数时被初始化
• 如果你从未调用过这些函数，就不会引发构造和析构成本

可以看到，这种结构下的函数体往往十分简单固定：第一行定义并初始化一个local static对象，第二行返回一个引用指向它。
这使得它们非常适合实现为inline函数，尤其是需要被频繁调用的场合；但从另一个角度看，内含static对象也使得它们成为线程不安全函数。

class FileSystem { ... };

//static FileSystem tfs;  //FileSystem.cpp中定义的non-local static对象

//tfs的专属函数，用来替换tfs对象
FileSystem &tfs()
{
    static FileSystem fs;  //定义并初始化一个local static对象fs
    return fs;             //返回一个reference指向上述对象
}

class Directory { ... };

Directory::Directory()
{
    //...
    std::size_t disks = tfs().numDisks();
    //...
}

//static Directory tempDir；  //Directory.cpp中定义的non-local static对象，tempDir的初始化依赖于FileSystem.cpp中的tfs对象先初始化完成

//tempDir的专属函数，用来替换tempDir对象
Directory &tempDir()
{
    static Directory td;  //定义并初始化一个local static对象td
    return td;            //返回一个reference指向上述对象
}