第二章 关键字static及其不同用法

本章的重点是关键字static。

问题9：C++中的静态成员变量（static member variable）是什么意思？

声明为static的成员变量会在静态存储区分配存储空间，在程序的生命周期内仅分配一次。由于该变量对于所有对象只有一个副本，因此它也被称为类成员。

当我们在头文件中声明一个静态成员时，只是在告知编译器存在这样一个静态成员变量，但实际上并没有定义它（从某种意义上说，这与前置声明非常相似）。因为静态成员变量不属于类实例（它们的处理方式与全局变量类似，在程序启动时初始化），所以必须在类外部的全局作用域中显式定义静态成员。

class A {
    static MyType s_var;
};

MyType A::s_var = value;

不过也有一些例外情况。首先，当静态成员是const整型（包括char和bool）或const枚举类型时，静态成员可以在类定义内部初始化：

class A {
    static int  s_var{42};
};

从C++17开始，static constexpr成员可以在类定义内部初始化（无需在外部进行初始化）。

class A {
    // 对于任何支持constexpr初始化的类，这都有效
    static constexpr std::array<int , 3> s_array{ 1, 2, 3 };
};

如果在成员函数中调用静态数据成员，那么该成员函数应声明为static。

前面已经提到过，但值得再次强调的是，静态成员变量在程序启动时创建，在程序结束时销毁，因此即使没有实例化类的任何对象，静态成员依然存在。

问题10：C++中的静态成员函数（static member function）是什么意思？

静态成员函数可用于处理类中的静态成员变量，或执行无需类实例的操作。不过，从概念和语义上讲，静态成员函数所执行的操作应与类密切相关。关于静态成员函数，有以下几个要点：

• 静态成员函数没有this指针。
• 静态成员函数不能是虚函数（virtual）。
• 静态成员函数不能访问非静态成员。
• 静态成员函数不能使用const和volatile限定符。

在实际应用中，静态成员函数意味着无需实例化类就可以调用它。如果Foo类中有一个静态函数static void bar()，你可以这样调用它：Foo::bar()，而无需实例化Foo类（顺便说一句，你也可以通过实例调用它：aFoo.bar()）。

由于this指针始终保存当前对象的内存地址，而调用静态成员根本不需要对象，所以静态成员函数不能有this指针。

虚成员与任何特定类没有直接关系，只与实例相关。（根据定义）“虚函数” 是一种动态链接的函数，即在运行时根据给定对象的动态类型选择正确的实现。因此，如果没有对象，就不可能进行虚函数调用。

访问非静态成员函数要求对象已经构造，但对于静态调用，我们不会传递类的任何实例，甚至不能保证已经构造了任何实例。

同样，const和const volatile关键字用于修改对象是否可被修改以及如何被修改。由于没有对象……

问题11：什么是静态初始化顺序问题（static initialization order fiasco）？

静态初始化顺序问题是C++中一个容易被许多人忽视、误解的微妙方面。由于该错误通常在main()函数被调用之前就发生了，所以很难察觉。

在一个翻译单元（translation unit）中，静态或全局变量总是按照它们的定义顺序进行初始化。另一方面，对于哪个翻译单元先被初始化，并没有严格的顺序。

假设你有一个翻译单元A，其中有一个静态变量sA，它的初始化依赖于翻译单元B中的静态变量sB。那么你有50%的失败几率。这就是静态初始化顺序问题。

让我们来看一个相关示例。

// Logger.cpp
#include  <string>
std::string theLogger = "aNiceLogger";

// KeyBoard.cpp
#include  <iostream> 
#include  <string>

extern  std::string theLogger;
std::string theKeyboard = "The Keyboard with logger: " + theLogger;

int  main() {
    std::cout << "theKeyboard: " << theKeyboard << '\n';
}

在这个例子中，我们有一个键盘（驱动）和一个日志记录器。假设键盘驱动需要一个日志记录器，以便在出现错误时进行记录。由于某些原因，我们决定只使用一个键盘和一个日志记录器，所以将它们设为全局变量。显然，这不是一个好的设计决策，但这是一个很常见的场景，并且也是为了便于举例说明。

如果键盘的初始化早于日志记录器，就会出现问题，正如你在下面的示例中看到的：

zhangxf@mydevserver ~/static_fiasco $ g++ -c Logger.cpp
zhangxf@mydevserver ~/static_fiasco $ g++ -c Keyboard.cpp
zhangxf@mydevserver ~/static_fiasco $ g++ Logger.o Keyboard.o -o LoggerThenKeyboard
zhangxf@mydevserver ~/static_fiasco $ g++ Keyboard.o Logger.o -o KeyboardThenLogger 
zhangxf@mydevserver ~/static_fiasco $ ./KeyboardThenLogger 
theKeyboard: The Keyboard with logger: 
zhangxf@mydevserver ~/static_fiasco $ ./LoggerThenKeyboard
theKeyboard: The Keyboard with logger: aNiceLogger

这就是静态初始化顺序问题在实际中的体现。

请注意，对不同翻译单元中静态变量的依赖是代码质量不佳的表现，实际上，这应该是进行重构的一个充分理由。

问题12：如何解决静态初始化顺序问题？

需要再次提醒的是，在一个翻译单元中，静态或全局变量总是按照它们的定义顺序进行初始化。另一方面，对于哪个翻译单元先被初始化，并没有严格的顺序。

如果翻译单元A中有一个静态变量sA，它的初始化依赖于翻译单元B中的静态变量sB，那么就有50%的失败几率。这就是静态初始化顺序问题。

对不同翻译单元中静态变量的依赖是代码质量不佳的表现，实际上，这应该是进行重构的一个充分理由。因此，解决这个问题最直接的方法就是消除这种依赖。

这里回顾一下我们之前的示例。

// Logger.cpp
#include  <string>
std::string theLogger = "aNiceLogger";

// KeyBoard.cpp
#include  <iostream> 
#include  <string>

extern  std::string theLogger;
std::string theKeyboard = "The Keyboard with logger: " + theLogger;

int  main() {
    std::cout << "theKeyboard: " << theKeyboard << '\n';
}

这个示例有50%的失败可能性。如果编译单元Logger.cpp先被初始化，那么没问题。但如果是键盘（对应的编译单元）先被初始化，就会出问题。

可能最简单的解决方案是将Logger.cpp中的theLogger变量替换为一个函数，如下所示：

std::string theLogger() {
    static  std::string aLogger = "aNiceLogger";
    return  aLogger;
}

然后在Keyboard.cpp中，我们只需确保对该函数使用extern，并且之后调用这个函数，而不是引用变量。这样做是可行的，因为局部静态变量std::string aLogger会在theLogger()函数第一次被调用时初始化。因此，可以保证在构造theKeyboard时，theLogger已经被初始化。

如果在theLogger被构造之后，程序退出时另一个静态变量使用了theLogger，你可能会遇到其他问题。同样，对不同翻译单元中静态变量的依赖是代码质量不佳的表现……

从C++20开始，可以使用constinit来解决静态初始化顺序问题。在这种情况下，静态变量将在编译时、链接之前进行初始化。你可以在这里查看相关解决方案。