【Effective C++】4-确定对象被使用前已先被初始化

1.如果不初始化会怎样?

关于“将对象初始化”这事,C++似乎反复无常。如果你这么写:int x;

在某些语境下x保证被初始化(为0),但在其他语境中却不保证。如果你这么写:

 class Point{
    int x,y;
 };
 ...
 Point p;

p的成员变量有时候被初始化(为 0),有时候不会。如果你来自其他语言阵营而那儿并不存在“无初值对象”,那么请小心,因为这颇为重要。读取未初始化的值会导致不明确的行为。在某些平台上,仅仅只是读取未初始化的值,就可能让你的程序终止运行。更可能的情况是读入一些“半随机”bits,污染了正在进行读取动作的那个对象,最终导致不可测知的程序行为,以及许多令人不愉快的调试过程。现在,我们终于有了一些规则,描述“对象的初始化动作何时一定发生,何时不一定发生”。不幸的是这些规则很复杂,我认为对记忆力而言是太繁复了些。

通常如果你使用C part of C++(见条款1)而且初始化可能招致运行期成本,那么就不保证发生初始化。一旦进入non-C parts of C++,规则有些变化。这就很好地解释了为什么array(来自C part of C++)不保证其内容被初始化,而vector(来自STL part of C++)却有此保证。

表面上这似乎是个无法决定的状态,而最佳处理办法就是:永远在使用对象之前先将它初始化。

2.内置类型的初始化

对于无任何成员的内置类型,你必须手工完成此事。例如:

 int x = 0;                             // 对int进行手工初始化
 const char* test = "A C-style string"; // 对指针进行手工初始化
 double d;
 std::cin>> d;                          // 以读取输入流的方式完成初始化

3.类的初始化

至于内置类型以外的任何其他东西,初始化责任落在构造函数(constructors)身上。规则很简单:确保每一个构造函数都将对象的每一个成员初始化。这个规则很容易奉行,重要的是别混淆了赋值(assignment)和初始化(initialization)。

3.1 构造函数中的赋值操作-非初始化

考虑一个用来表现通讯簿的class,其(拷贝)构造函数如下:

class PhontNumber {};
class ABEntry
{
public:
    ABEntry(const std::string& name, const std::string& address,
        const std::list<PhontNumber>& phones);
private:
    std::string theName;
    std::string theAddress;
    std::list<PhontNumber> thePhones;
    int numTimesConsulted;
};
 
ABEntry::ABEntry(const std::string& name, const std::string& address,
    const std::list<PhontNumber>& phones)
{

    theName = name;         // 赋值操作,非初始化
    theAddress = address;   // 赋值操作,非初始化
    thePhones = phones;     // 赋值操作,非初始化
    numTimesConsulted = 0;  
}

这会导致ABEntry对象带有你期望(你指定)的值,但不是最佳做法。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。在ABEntry构造函数内,theName,theAddress和thePhones都不是被初始化,而是被赋值。初始化的发生时间更早,发生于这些成员的 default 构造函数被自动调用之时(比进入ABEntry构造函数本体的时间更早)。但这对numTimesConsulted不为真,因为它属于内置类型,不保证一定在你所看到的那个赋值动作的时间点之前获得初值。 

3.2 构造函数中的真正初始化-成员初始化列表初始化

ABEntry构造函数的一个较佳写法是,使用所谓的member initialization list(成员初值列)替换赋值动作:

class PhontNumber {};
class ABEntry
{
public:
    // 成员初始化列表初始化:真正的初始化
    ABEntry(const std::string& name, const std::string& address,
        const std::list<PhontNumber>& phones)
        :theName(name), theAddress(address), thePhones(phones), numTimesConsulted(0)
    {}
private:
    std::string theName;
    std::string theAddress;
    std::list<PhontNumber> thePhones;
    int numTimesConsulted;
};

这个构造函数和上一个的最终结果相同,但通常效率较高。

3.3 以上两个构造函数的效率比较

基于赋值的那个版本(本例第一版本)首先调用default构造函数为theName,theAddress和thePhones设初值,然后立刻再对它们赋予新值。default构造函数的一切作为因此浪费了。成员初值列(member initialization list)的做法(本例第二版本)避免了这一问题,因为初值列中针对各个成员变量而设的实参,被拿去作为各成员变量的构造函数的实参。本例中的theName以name为初值进行 copy构造,theAddress以address为初值进行copy构造,thePhones以phones为初值进行copy构造。对大多数类型而言,比起先调用 default构造函数然后再调用 copy assignment操作符,单只调用一次 copy 构造函数是比较高效的,有时甚至高效得多。对于内置型对象如numTimesConsulted,其初始化和赋值的成本相同,但为了一致性最好也通过成员初值列来初始化。

3.4 一个无参构造的过度紧张写法&记住总是列出所有成员变量

当你想要default构造一个成员变量,你都可以使用成员初值列,只要指定无物(nothing)作为初始化实参即可。假设ABEntry有一个无参数构造函数,我们可将它实现如下:

ABEntry::ABEntry()
:theName(),   // 调用theName的default构造函数
theAddress(), // 调用theAddress的default构造函数
thePhone(),   // 调用thePhone的default构造函数
numTimeConsulted(0) // 记得将numTimeConsulted显示初始化为0
{}

由于编译器会为用户自定义类型(user-defined types)之成员变量自动调用default构造函数——如果那些成员变量在“成员初值列”中没有被指定初值的话,因而引发某些程序员过度夸张地采用以上写法。那是可理解的,但请立下一个规则,规定总是在初值列中列出所有成员变量,以免还得记住哪些成员变量(如果它们在初值列中被遗漏的话)可以无需初值。举个例子,由于numTimesConsulted属于内置类型,如果成员初值列(member initializationlist)遗漏了它,它就没有初值,因而可能开启“不明确行为”的潘多拉盒子。

3.5 构造函数中一定得使用初值列的情况

有些情况下即使面对的成员变量属于内置类型(那么其初始化与赋值的成本相同),也一定得使用初值列。是的,如果成员变量是const或 references,它们就一定需要初值,不能被赋值(见条款5)。为避免需要记住成员变量何时必须在成员初值列中初始化,何时不需要,最简单的做法就是:总是使用成员初值列。这样做有时候绝对必要,且又往往比赋值更高效。

3.6 有时候也可适当丢掉一些“赋值表现像初始化一样好”的成员变量

许多 classes 拥有多个构造函数,每个构造函数有自己的成员初值列。如果这种classes存在许多成员变量和/或base classes,多份成员初值列的存在就会导致不受欢迎的重复(在初值列内)和无聊的工作(对程序员而言)。这种情况下可以合理地在初值列中遗漏那些“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,并将那些赋值操作移往某个函数(通常是private),供所有构造函数调用。这种做法在“成员变量的初值系由文件或数据库读入”时特别有用。然而,比起经由赋值操作完成的“伪初始化”(pseudo-initialization),通过成员初值列(member initialization list)完成的“真正初始化”通常更加可取。

4.C++中的成员初始化次序与“跨编译单元之初始化次序”问题

4.1 一些建议

 C++有着十分固定的“成员初始化次序”。是的,次序总是相同:base classes更早于其derived classes被初始化(见条款12),而class的成员变量总是以其声明次序被初始化。回头看看 ABEntry,其 theName 成员永远最先被初始化,然后是theAddress,再来是thePhones,最后是numTimesConsulted。即使它们在成员初值列中以不同的次序出现(很不幸那是合法的),也不会有任何影响。为避免你或你的检阅者迷惑,并避免某些可能存在的晦涩错误,当你在成员初值列中条列各个成员时,最好总是以其声明次序为次序。所谓晦涩错误,指的是两个成员变量的初始化带有次序性。例如初始化array时需要指定大小,因此代表大小的那个成员变量必须先有初值。

4.2 不同编译单元内定义的“non-local static对象”的初始化次序

     一旦你已经很小心地将“内置型成员变量”明确地加以初始化,而且也确保你的构造函数运用“成员初值列”初始化base classes和成员变量,那就只剩---“不同编译单元内定义之non-local static对象”的初始化次序。

      我们关心的问题涉及至少两个源码文件,每一个内含至少一个 non-localstatic对象(也就是说该对象是global或位于namespace作用域内,抑或在class内或 file 作用域内被声明为 static)。真正的问题是:如果某编译单元内的某个non-local static对象的初始化动作使用了另一编译单元内的某个non-local static对象,它所用到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”的初始化次序并无明确定义。

概念解释:

static对象(区分local-static对象和non-local-static对象):

所谓 static 对象,其寿命从被构造出来直到程序结束为止,因此 stack 和heap-based对象都被排除。这种对象包括global对象、定义于namespace作用域内的对象、在classes内、在函数内、以及在file作用域内被声明为static的对象。函数内的static对象称为local static对象(因为它们对函数而言是local),其他static对象称为non-local static对象。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。

编译单元:

所谓编译单元(translation unit)是指产出单一目标文件(single object file)的那些源码。基本上它是单一源码文件加上其所含入的头文件(#include files)。

4.3 从一个实例来看静态对象初始化问题

假设你有一个FileSystem class,它让互联网上的文件看起来好像位于本机(local)。由于这个 class 使世界看起来像个单一文件系统,你可能会产出一个特殊对象,位于global或namespace作用域内,象征单一文件系统:

//FileSystem.h
class FileSystem
{
public:
    std::size_t numDisks()const;
};
 
extern FileSystem tfs;

FileSystem 对象绝不是一个稀松平常无关痛痒的(trivial)对象,因此你的客户如果在theFileSystem对象构造完成前就使用它,会得到惨重的灾情。现在假设某些客户建立了一个class用以处理文件系统内的目录(directories)。很自然他们的class会用上theFileSystem对象:

//Directory.h
 
#include "FileSystem.h"
class Directory
{
public:
    Directory();
};
 
Directory::Directory()
{
    std::size_t disks = tfs.numDisks(); //使用tfs对象
}
 
//现在客户在主程序中创建一个Directory对象,用来放置临时文件
Directory tempDir;

问题:

初始化次序的重要性显现出来了:除非tfs在tempDir之前先被初始化,否则tempDir的构造函数会用到尚未初始化的tfs。但tfs和tempDir是不同的人在不同的时间于不同的源码文件建立起来的,它们是定义于不同编译单元内的non-localstatic对象。如何能够确定tfs会在tempDir之前先被初始化?喔,你无法确定。再说一次,C++对“定义于不同的编译单元内的non-localstatic对象”的初始化相对次序并无明确定义。这是有原因的:决定它们的初始化次序相当困难,非常困难,根本无解。在其最常见形式,也就是多个编译单元内的non-local static对象经由“模板隐式具现化,implicit template instantiations”形成(而后者自己可能也是经由“模板隐式具现化”形成),不但不可能决定正确的初始化次序,甚至往往不值得寻找“可决定正确次序”的特殊情况。

4.4 如何解决静态对象的初始化问题

幸运的是一个小小的设计便可完全消除这个问题。唯一需要做的是:将每个non-local static对象搬到自己的专属函数内(该对象在此函数内被声明为static)。这些函数返回一个reference指向它所含的对象。然后用户调用这些函数,而不直接指涉这些对象。换句话说,non-local static对象被local static对象替换了。Design Patterns迷哥迷姊们想必认出来了,这是Singleton模式的一个常见实现手法。这个手法的基础在于:C++保证,函数内的local static对象会在“该函数被调用期间”“首次遇上该对象之定义式”时被初始化。所以如果你以“函数调用”(返回一个reference指向local static对象)替换“直接访问non-local static对象”,你就获得了保证,保证你所获得的那个reference将指向一个历经初始化的对象。更棒的是,如果你从未调用non-local static对象的“仿真函数”,就绝不会引发构造和析构成本;真正的non-local static对象可没这等便宜!

以此技术施行于tfs和tempDir身上,结果如下:

//FileSystem.h
class FileSystem
{
public:
    std::size_t numDisks()const;
};
 
FileSystem& tfs()
{
    static FileSystem tfs;
    return fs;
}
//Directory.h
 
#include "FileSystem.h"
class Directory
{
public:
    Directory();
};
 
Directory::Directory()
{
    std::size_t disks = tfs.numDisks(); //使用tfs对象
}
 
//这个函数用来替换tempDir对象,它在Directory内部可能是static
Directory& tempDir()
{
    static Directory td;
    return td;
}

这么修改之后,这个系统程序的客户完全像以前一样地用它,唯一不同的是他们现在使用tfs()和tempDir()而不再是tfs和tempDir。也就是说他们使用函数返回的“指向static对象”的references,而不再使用static对象自身。这种结构下的 reference-returning函数往往十分单纯:第一行定义并初始化一个local static对象,第二行返回它。这样的单纯性使它们成为绝佳的inlining候选人,尤其如果它们被频繁调用的话(见条款 30)。但是从另一个角度看,这些函数“内含static对象”的事实使它们在多线程系统中带有不确定性。再说一次,任何一种non-const static 对象,不论它是local或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(single-threaded startup portion)手工调用所有reference-returning函数,这可消除与初始化有关的“竞速形势(race conditions)”。

当然啦,运用reference-returning函数防止“初始化次序问题”,前提是其中有着一个对对象而言合理的初始化次序。如果你有一个系统,其中对象A必须在对象B之前先初始化,但A的初始化能否成功却又受制于B是否已初始化,这时候你就有麻烦了。坦白说你自作自受。只要避开如此病态的境况,此处描述的办法应该可以提供你良好的服务,至少在单线程程序中。既然这样,为避免在对象初始化之前过早地使用它们,你需要做三件事。第一,手工初始化内置型non-member对象。第二,使用成员初值列(memberinitialization lists)对付对象的所有成分。最后,在“初始化次序不确定性”(这对不同编译单元所定义的non-local static对象是一种折磨)氛围下加强你的设计。

5.总结

■ 为内置型对象进行手工初始化,因为C++不保证初始化它们。

■ 构造函数最好使用成员初值列(member initialization list),而不要在构造函数本体内使用赋值操作(assignment)。初值列列出的成员变量,其排列次序应该和它们在class中的声明次序相同。

■ 为免除“跨编译单元之初始化次序”问题,请以local static对象替换non-local-static对象。

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