全局变量初始化顺序

Posted 2023-02-22

【中文标题】全局变量初始化顺序

【英文标题】：Global variable initialization order

【发布时间】：2018-12-18 06:53:38

【问题描述】：

全局变量的一个问题是跨翻译单元的初始化顺序未定义，我们有一些实践来避免全局变量。但我仍然想了解跨翻译单元的全局变量的初始化顺序，仅用于教育目的。

假设我们有这样的代码：

action_type.h

struct ActionType 
    static const ActionType addShard;  // struct static variables

action_type.cpp

ActionType ActionType::addShard(addShardValue); 

action_set.h

ActionSet(ActionType s);

我的.cpp：

// global variables

ActionSet s(ActionType::addShard);

我的问题是：

我能否始终从全局“s”变量中获取准确的值？ s 取决于在不同翻译单元中定义的 ActionType::addShard。 如果不能保证，如何编译/链接/运行得到错误的结果？我听说顺序取决于链接阶段。

====为了让话题2更容易讨论，这里是我的测试代码====

//  cat action.h 

#ifndef ACTION_H
#define ACTION_H
#include <iostream>
#include <bitset>
namespace m 
    class ActionSet 
    public:
        ActionSet();
        ActionSet(std::initializer_list<int> ids);
        void dump() const;

    private:
        std::bitset<4> _actions;
    ;

#endif /* ACTION_H */

// action.cpp

#include "action.h"
#include <iostream>

namespace m 
ActionSet::ActionSet(): _actions(0) 
    std::cout << "from default" << std::endl;

ActionSet::ActionSet(std::initializer_list<int> ids) 
    std::cout << "from init list.." << std::endl;
    for(auto id : ids) 
        _actions.set(id, true);
    


void ActionSet::dump() const 
    for(int i=0; i<4; i++) 
        std::cout << _actions[i] << ",";
    
    std::cout << std::endl;



// const.h

#ifndef CONST_H
#define CONST_H
namespace m 
struct X 
    static int x;
    static int y;
;


#endif /* CONST_H */

// const.cpp

#include "const.h"

namespace m 
    int X::x = 0;
    int X::y = 2;
;

// f.h  

#ifndef F_H
#define F_H

#include "action.h"
#include <iostream>

namespace m 
 void f1();
void f2();


#endif /* F_H */

// f.cpp
#include "f.h"
#include "const.h"

namespace m 
    const ActionSet sX::x, X::y;

    void f1() 
        s.dump();
    


    void f2() 
        const ActionSet s2X::x, X::y;
        s2.dump();
    
;

// action.h 

#ifndef ACTION_H
#define ACTION_H
#include <iostream>
#include <bitset>
namespace m 
    class ActionSet 
    public:
        ActionSet();
        ActionSet(std::initializer_list<int> ids);
        void dump() const;

    private:
        std::bitset<4> _actions;
    ;

#endif /* ACTION_H */

// action.cpp

#include "action.h"
#include <iostream>

namespace m 
ActionSet::ActionSet(): _actions(0) 
    std::cout << "from default" << std::endl;

ActionSet::ActionSet(std::initializer_list<int> ids) 
    std::cout << "from init list.." << std::endl;
    for(auto id : ids) 
        _actions.set(id, true);
    


void ActionSet::dump() const 
    for(int i=0; i<4; i++) 
        std::cout << _actions[i] << ",";
    
    std::cout << std::endl;



// main.cpp

#include "f.h"


int main(int argc, char *argv[])

    m::f1();
    m::f2();
    return 0;


// CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 2.6)
project(project_name)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED on)
set(CMAKE_CXX_EXTENSIONS off)
set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS on)
set( CMAKE_VERBOSE_MAKEFILE on )

add_executable(main const.cpp main.cpp f.cpp action.cpp)
add_executable(main2 main.cpp f.cpp action.cpp const.cpp)

【问题讨论】：

把目标文件的顺序倒过来，会报错：clang++ my.o action_type.o

无法保证得到正确的结果或错误的结果。您可能会发现链接顺序在一个编译器中可靠地工作，但另一个编译器可能无法预测会发生什么。

@liliscent 我按照您的建议进行了尝试，看起来它不起作用。我在上面粘贴了我的代码。你能指出有什么问题吗？

@zhihuifan 你应该做一个minimal的例子来测试错误。只需两个少于 10 LOC 的文件就足够了。至于您的代码，您使用全局int 进行测试，这是错误的。通常 int 只是写在数据段里面，它们不需要运行时初始化。

@zhihuifan "unspecified" 只对 C++ 标准有意义，实际代码最终在机器上运行，所以编译器和系统运行时库应该有办法确定每个细节。例如，mac 上的 clang 将 .o 文件的所有初始化条目并列到 mach-o 部分 __mod_init_func，然后运行时映像加载器将这些指针一一运行。 gcc linux 有一个类似的.init_array 部分（我不熟悉MSVC）。但所有这些都依赖于平台/编译器，我建议你不要编写依赖于这些实现细节的代码。

【参考方案1】：

不幸的是，我无法找出 ActionType 究竟是什么。

正如您所指出的，使用全局变量确实是个坏主意。幸运的是，他们在语言中添加了constexpr。 使用constexpr，您可以创建在编译时“定义”的常量，而不会影响运行时。所以不管你的Ctors被执行的顺序是什么，它都会产生正确的结果。

不好的一面是，std::initializer_list 不是 constexpr（甚至在 C++20 中也不是），std::bitset 是。

#include <bitset>

struct ActionType 
    static constexpr std::bitset<4> addShard0b0101;
;

使用上面的代码，您创建了一个constexpr 变量，可以安全地用于初始化全局变量。同样，您可以将下一个类型创建为 constexpr available：

class ActionSet 
public:
    constexpr ActionSet();
    ActionSet(std::initializer_list<int> ids);
    constexpr ActionSet(std::bitset<4> actions) : _actionsactions 
    void dump() const;

private:
    std::bitset<4> _actions0;
;

constexpr ActionSet s(ActionType::addShard);

简而言之，只要您能够在编译时“定义”所有内容（包括头文件中的所有必需代码），您就可以根据其他常量创建常量。稍后可以在运行时对其调用常量方法。

从 C++20 开始，你应该可以写：

[[constinit]] ActionSet s(ActionType::addShard);

这应该允许您在程序中使用非常量方法。我不清楚这是否仍然允许您在下一个 constexpr 变量的构造函数中使用“s”。