模板静态成员的初始化点

Question

当类模板具有静态成员时，我们需要该成员的附加（模板化）定义。现在，该定义实际上并没有立即实例化，而是需要实例化封闭模板，并且需要“使用”静态字段。到目前为止一切顺利。

但是，我对 GCC / Linux 的行为令人惊讶。 （g++ 4.7 和 7.2）

#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

template<typename T>
class Factory
  {
  public:
    T val;

    Factory()
      : val{}
      {
        cout << "Factory-ctor  val="<<val<<endl;
      }
  };


template<typename T>
class Front
  {
  public:
    static Factory<T> fac;

    Front()
      {
        cout << "Front-ctor    val="<<fac.val<<endl;
        fac.val += 100;
      }

    T&
    operate ()
      {
        cout << "Front-operate val="<<fac.val<<endl;
        ++ fac.val;
        return fac.val;
      }
  };

template<typename T>
Factory<T> Front<T>::fac;


namespace {
  Front<int> front;
  int global_int = front.operate();
}



int
main (int, char**)
  {
    Front<int> fint;

    int& i = fint.operate();
    cout << "main:         val="<<i<<endl;
    cout << "global_int.......="<<global_int<<endl;

    return 0;
  }

在匿名命名空间中，我们首先创建 Front 的静态实例，然后在其上调用 operate() 函数，该函数使用静态工厂成员。输出和值都清楚地表明静态成员的 ctor 在使用后被调用。这种行为背后的原因是什么？这对我来说似乎违反直觉：假设工厂管理一些资源，资源就会泄露。

~$ g++ --version
g++ (Ubuntu 7.2.0-8ubuntu3.2) 7.2.0

~$ g++ --std=gnu++17 demo.cpp -o demo
~$ ./demo
Front-ctor    val=0
Front-operate val=100
Factory-ctor  val=0
Front-ctor    val=0
Front-operate val=100
main:         val=101
global_int.......=101

我也尝试过 Clang (3.5)，这只是段错误。

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PS：显而易见的解决方法是将工厂变成 Meyers Singleton。然而，我希望 ctors 和 dtors 系统在这种基本情况下是无懈可击的（请注意，我们不是指来自其他翻译单元的任何静态）。因此，我主要对解释该观察的推理感兴趣。

Answer 1

这通常被称为静态初始化顺序失败，相当恰当。

基本上，我们有三个具有静态存储持续时间的对象：front、global_int 和 Front<int>::fac。我们有，来自basic.start.dynamic：

如果变量是隐式或显式实例化的特化，则具有静态存储持续时间的非局部变量的动态初始化是无序的，如果变量是不是隐式或显式实例化的特化的内联变量，则它是部分排序的，并且否则订购。

所以Front<int>::fac 是无序的，另外两个是有序的。我们知道front 在global_int 之前初始化，因为它们是按定义顺序排序的。但是Front<int>::fac 与其他两个的排序不确定。

基本上发生的事情是静态初始化首先发生（零初始化），然后，稍后，您的 Factory 构造函数实际运行 - 在您真正想要它之后的某个时间。

您可以做的一件事是强制您的Factory 的初始化为常量初始化 - 这会将其移动到动态初始化之前。你可以通过标记你的构造函数constexpr来做到这一点。

或者，您可以按照 Meyers 单例将 static 包装到一个函数中。