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  1. 对象初始化方法
  2. 不同编译单元内定义之non-local static对象
  3. 总结
Item4-确保对象在使用前被初始化
2021-01-01
」 「

Item 4: 确保对象被使用前已先被初始化

对象初始化方法

对象的初始化动作何时一定发生,何时不一定发生。初始化规则很复杂,最佳的处理方法就是:永远在使用对象之前先将它初始化。

对于内置类型的非成员对象,初始化必须手动完成:

int x = 0;  //@ manual initialization of an int
const char * text = "A C-style string"; //@ manual initialization of a pointer
double d;
std::cin >> d; //@ "initialization" by reading from an input stream

除了内置类型,其它类型的初始化责任落在构造函数身上,其规则是:确保每一个构造函数都将对对象的每一个成员初始化。该规则很容易遵守,但需要注意不要混淆赋值初始化

class PhoneNumber { ... };
//@ ABEntry = "Address Book Entry"
class ABEntry {
public:
ABEntry(const std::string& name, const std::string& address,
const std::list<PhoneNumber>& phones);
private:
std::string theName;
std::string theAddress;
std::list<PhoneNumber> thePhones;
int numTimesConsulted;

};

ABEntry::ABEntry(const std::string& name, const std::string& address,
const std::list<PhoneNumber>& phones)
{
//这些都是赋值,不是初始化
theName = name;
theAddress = address;
thePhones = phones;
numTimesConsulted = 0;
}

C++规定:对象的成员变量的初始化动作发生在进入构造函数本体之前

一个更好的写 ABEntry 构造函数的方法是用成员初始化列表来代替赋值:

ABEntry::ABEntry(const std::string& name, const std::string& address,
const std::list<PhoneNumber>& phones)
: theName(name),
theAddress(address), //@ these are now all initializations
thePhones(phones),
numTimesConsulted(0)
{} //@ the ctor body is now empty

基于赋值的版本会首先调用 default 构造函数初始化 theName,theAddress 和 thePhones,然而很快又在 default 构造的值之上赋予新值。那些 default 构造函数所做的工作被浪费了。

成员初始化列表的方法避免了这个问题,因为初始化列表中的参数就可以作为各种数据成员的构造函数所使用的参数。在这种情况下,theName 从 name 中 copy-constructed(拷贝构造),theAddress 从 address 中 copy-constructed(拷贝构造),thePhones 从 phones 中 copy-constructed(拷贝构造)。

对于大多数类型来说,只调用一次拷贝构造函数的效率比先调用一次缺省构造函数再调用一次拷贝赋值运算符的效率要高(有时会高很多)。

对于 numTimesConsulted 这样的内建类型的对象,初始化和赋值没有什么不同,但为了统一性,最好是经由成员初始化来初始化每一件东西。

类似地,当你只想 default 构造一个数据成员时也可以使用成员初始化列表,只是不必指定初始化参数而已。假设 ABEntry 有一个无参数的构造函数,它可以像这样实现:

ABEntry::ABEntry()
:theName(), //@ call theName's default ctor;
theAddress(), //@ do the same for theAddress;
thePhones(), //@ and for thePhones;
numTimesConsulted(0) //@ but explicitly initialize
{}

编译器会为用户自定义类型的成员变量自动调用default构造函数。虽然如此,但还是立下一个规则:总数在初始化列表中列出所有成员变量,以免还得记住哪些成员变量可以无需初值(如果它们在初始化类别中被遗漏的话)。

因为 numTimesConsulted 属于内置类型,如果成员初始化列表遗漏了它 ,可能会导致未定义行为

有些情况下,即使面对的成员变量属于内置类型(初始化和赋值成本相同),也一定得使用初始化列表赋值:如果成员变量是 const 或 references,它们就一定需要初值,不能被赋值。

许多 class 拥有多个构造函数,每个构造函数有自己的初始化列表,如果这种 class 存在许多成员变量和/或 base classes,多份初始化列表就会存在大量重复,这种情况可以在初始化列表中合理地遗漏那些“赋值表现像初始化一样好”的成员变量,改用它们的赋值操作,并将赋值操作移到某个函数中(通常是private)供构造函数调用。这种做法在“成员变量的初始值由文件或数据库读入”时特别有用。然而,初始化列表完成的“真正的初始化”仍然比通过赋值操作完成的“伪初始化”更加可取。

C++ 对象的数据被初始化的顺序总是相同的:

不同编译单元内定义之non-local static对象

局部静态对象一个静态对象的生存期是从被构造出来直到程序结束为止。程序结束时 static 对象会被自动销毁,也就是它们的析构函数会在 main() 结束时被自动调用。

静态对象按照定义的位置可以分为:

编译单元(translation unit):指产出单一目标文件的那些源码,基本上是一个单独的源文件,加上其所含的头文件。

问题:某编译单元内的某个 non-local static 对象的初始化使用了另一个编译单元内的某个 non-local static 对象,它所使用的这个对象可能尚未被初始化,因为C++对“定义于不同编译单元内的 non-local static 对象”的初始化顺序并无明确定义。

class FileSystem { 
public:
...
std::size_t numDisks() const;
...
};
extern FileSystem tfs; //@ object for clients to use;"tfs" = "the file system"

现在假设一些客户为一个文件系统中的目录创建了一个类,他们的类使用了对象:

class Directory { 
public:
Directory(params);
...
};

Directory::Directory(params)
{
...
std::size_t disks = tfs.numDisks(); //@ use the tfs object
...
}

进一步假设,这个客户决定为临时文件创建一个单独的目录对象:

Directory tempDir(params); //@ directory for temporary files

现在初始化顺序的重要性变得明显了:除非 tfs 在 tempDir 之前初始化,否则,tempDir 的构造函数就会在 tfs 被初始化之前试图使用它。但是,tfs 和 tempDir 是被不同的人于不同的时间在不同的源文件中创建的,它们是定义在不同编译单元中的 non-local static 对象。因此,无法确定它们的初始化顺序。

正确的做法是将每一个非局部静态对象移到它自己的函数中,该对象在函数内被声明为静态。这些函数返回它所包含的对象的引用。换一种说法,就是用局部静态对象取代非局部静态对象。这是Singleton模式(单例模式)的一个常见实现手法:该手法的基础在于,C++ 保证函数内的 local static 对象会在函数首次被调用时,通过该对象的定义式初始化,不仅解决了初始化顺序的问题,还具有惰性求值的特性。

class FileSystem { ... };          

FileSystem& tfs()
{
static FileSystem fs;
return fs;
}

class Directory { ... };

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

Directory& tempDir()
{
static Directory td;
return td;
}

这些函数体非常单纯的函数非常适合 inline ,如果频繁被调用的话。

这些函数“内含 static 对象”的事实使它们在多线程中带有不确定性,任何一种 non-const static 对象,不论是 local 还是 non-local,在多线程环境下“等待某事发生”都会有麻烦。处理这个麻烦的一种做法是:在程序的单线程启动阶段手工调用所有 reference-returning 函数,这可消除与初始化有关的“竞态条件(race conditions)”。

总结

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