静态变量为什么只初始化一次？

Question

我注意到如果你在C++中的代码中初始化静态变量，该初始化仅在第一次运行函数时运行。

这很酷，但它是如何实现的呢？它会被转换为某种扭曲的if语句吗？（如果给定一个值，那么...）

void go( int x )
{
    static int j = x ;
    cout << ++j << endl ; // see 6, 7, 8
} 

int main()
{
    go( 5 ) ;
    go( 5 ) ;
    go( 5 ) ; 
}

- bobobobo

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使用哪个编译器实现它？ - Lightness Races in Orbit

Answer 1

是的，通常会转换成带有内部布尔标志的隐式if语句。因此，在最基本的实现中，您的声明通常会转换为以下内容：

void go( int x ) {
  static int j;
  static bool j_initialized;

  if (!j_initialized) {
    j = x;
    j_initialized = true;
  }

  ...
} 

此外，如果您的静态对象具有非平凡析构函数，则语言必须遵守另一条规则：这些静态对象的销毁顺序必须与它们的构造顺序相反。由于构造顺序仅在运行时已知，因此销毁顺序也在运行时确定。因此，每次您使用具有非平凡析构函数的本地静态对象进行构造时，程序都必须将其注册在某种线性容器中，以便稍后以适当的顺序销毁这些对象。

不用说，实际细节取决于实现方式。

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值得注意的是，当涉及到静态“原始”类型的对象（如您示例中的int）以编译时常量进行初始化时，编译器可以自由地在启动时初始化该对象。你永远不会注意到任何区别。但是，如果您使用“非原始”对象的更复杂的示例，情况就不同了。

void go( int x ) {
  static std::string s = "Hello World!";
  ...

即使对象使用编译时常量进行初始化，上述带有if的方法也应该出现在生成的代码中。

在您的情况下，初始化程序在编译时是未知的，这意味着编译器必须延迟初始化并使用隐式的if。

- AnT stands with Russia

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我曾认为静态变量是真正的全局变量，这就是它们在线程之间共享的原因...并且作为全局变量，它们只被初始化一次... - dicroce

@dicroce，函数内的静态变量与真正的全局变量不同：它们是在封闭函数第一次调用时才被懒惰地初始化的。因此，您需要在函数内部进行某种形式的检查。 - Péter Török

@dicroce：本地静态变量最多只会被初始化一次。但是在声明时无法预先知道它们何时被初始化。如果控制流程从未经过声明，它们可能根本不会被初始化。 - AnT stands with Russia

@dicroce：您可能会对这个问题中关于本地静态变量和线程安全性（或某些实现中缺乏线程安全性）的讨论感兴趣：https://dev59.com/DHM_5IYBdhLWcg3wslVW - ZoogieZork

我认为编译器可以在编译时避免if，当j_initialized不是已知的时候。如果生成了两个版本的函数go，一个没有“if”，则一旦变量被初始化，对go的引用就可以替换。我是正确的吗？ 对于大多数情况来说可能不值得这样做。随着引入更多静态变量，生成的函数数量会迅速增加。 - Joelmob

Answer 2

是的，编译器通常会生成一个隐藏的布尔型“是否已初始化？”标志和一个 if，每次执行函数时都会运行。

这里有更多阅读材料：编译器如何实现静态变量初始化？

- Jon

Answer 3

虽然它确实是“某种扭曲的if”，但这种扭曲可能比您想象的更多...... ZoogieZork对AndreyT的回答进行了评论，涉及到一个重要方面：静态局部变量的初始化 - 在一些编译器（包括GCC）上，默认情况下是线程安全的（编译器命令行选项可以禁用它）。因此，它使用了一些线程间同步机制（互斥锁或某种原子操作），这可能相对较慢。如果您不希望在函数中明确使用这样的操作（从性能角度考虑），则应考虑是否有低影响替代方法来延迟变量的初始化（即在某个地方以线程安全的方式显式构造它）。很少有功能如此敏感，以至于这很重要-除非您的程序太慢并且分析器正在检查该区域，否则不要让它破坏您的一天或使您的代码更加复杂。

- Tony Delroy

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“在某些编译器上”是错误的：静态初始化必须是线程安全的。请参见：https://dev59.com/gGsz5IYBdhLWcg3wHUS0 - underscore_d

@underscore_d：这个答案是针对C++03编写的，如果你想说从C++11开始发生了变化，请随意。 - Tony Delroy

Answer 4

它们仅被初始化一次，因为这是C++标准规定的。具体实现方式完全取决于编译器供应商。根据我的经验，编译器会生成并使用本地隐藏标志。

- Jeffrey Faust