通过 Schwartz 计数器进行 C++ 静态初始化

Question

Schwartz counter 旨在确保在使用全局对象之前对其进行初始化。

请考虑使用如下所示的施瓦茨计数器。

文件 Foo.h：

class Foo
{
   Foo::Foo();
};

文件 Foo.cpp：

#include "Foo.h"

// Assume including Mystream.h provides access to myStream and that
// it causes creation of a file-static object that initializes
// myStream (aka a Schwartz counter).
#include "MyStream.h"

Foo::Foo()
{
   myStream << "Hello world\n";
}

如果 Foo::Foo() 在 main() 启动后运行，由于 cmets 中提到的文件静态初始化器对象，myStream 的使用可以保证是安全的（即 myStream 将在使用前被初始化）。

但是，假设 Foo 实例是在 main() 启动之前创建的，如果它是全局的就会发生这种情况。此处显示：

文件 Global.cpp：

#include "Foo.h"

Foo foo;

请注意，Global.cpp 不像 Foo.cpp 那样获得文件静态初始化器对象。在这种情况下，Schwartz 计数器如何确保 MyStream 初始化程序（以及 MyStream 对象本身）在 foo 之前初始化？或者在这种情况下施瓦茨计数器会失败吗？

Answer 1

"Schwartz counters" 的使用（以 Jerry Schwartz 的名字命名，他设计了 IOStreams 库的基础，因为它现在在标准中；请注意，他不能因为许多奇怪的选择而受到指责，因为这些选择被标记在原始设计）可能会导致在构造对象之前对其进行访问。最明显的情况是在构造全局对象期间调用一个函数，该对象使用通过 Schwartz 计数器构造的自己的全局调用另一个翻译单元（我使用 std::cout 作为由 Schwartz 计数器保护的全局以保持示例短）：

// file a.h
void a();

// file a.cpp
#include <iostream>
void a() { std::cout << "a()\n"; }

// file b.cpp
#include <a.h>
struct b { b() { a(); } } bobject;

如果文件b.cpp 中的全局对象先于文件a.cpp 中的全局对象构造，并且如果std::cout 是通过施瓦茨计数器构造的，a.cpp 是第一个实例，则此代码将失败。施瓦茨计数器不能特别好用的原因至少还有两个：

1. 为此使用全局对象时，此对象最终会被构造两次。虽然这在实践中做得很好，但我认为这很丑陋。解决此问题的方法是使用适当大小的char 缓冲区来实际定义对象（这些通常会被更改为正确类型的对象的名称）。然而，在这两种情况下，事情都是一团糟。
2. 当在许多翻译单元中使用由 Schwartz 计数器保护的全局对象时（如 std::cout 的情况），这可能会导致显着的启动延迟：编写良好的代码通常不使用任何全局初始化但是 Schwartz 计数器需要为每个需要加载的目标文件运行一段代码。

就我个人而言，我得出的结论是，这种技术是一个漂亮的想法，但在实践中却行不通。我使用了三种方法：

1. 不要使用全局对象。这使得整个讨论变得过时并且效果最好，尤其是在并发代码中。在绝对需要全局资源的情况下，通过引用返回并使用 std::call_once() 初始化的函数静态对象是更好的选择。
2. 在链接可执行文件时（例如最后一个）将全局对象放置在适当的位置会导致它首先被初始化。我过去曾对此进行过试验，然后我发现我可以在我关心的所有系统上适当地放置目标文件。这里的主要缺点是没有保证，并且在编译器版本之间切换时情况可能会发生变化。但是，对于 C++ 标准库，这是可以接受的（我这样做时只关心全局流对象）。
3. 将全局对象放入专用共享库中：当共享库被加载时，其初始化代码被执行。共享库中的对象只有在初始化完成后才可用。我发现这很可靠，但需要一个额外的库。