Shuffy

[轉]http://www.shnenglu.com/tiandejian/archive/2007/04/15/ecpp_04.html

第1項：    確保對象在使用前得到初始化

C++ 在對象初始值問題上顯得變化多端。比如說，你寫下了下面的代碼：

在許多情況下， x 會確保得到初始化（為零），但是另一些情況下則不會，如果你這樣編寫：

p 的數據成員在一些情況下會確保得到初始化（為零），但是另一些情況就不會了。如果你以前學習的語言沒有對象初始化的概念，那么請你注意了，因為這很重要。

讀取未初始化的數據時，程序將呈現出無法預知的行為。在一些語言平臺中，通常情況下讀取未初始化的數據將使你的程序無法運行。更可能的情況時，也許會得到內存中某些位置上的半隨機的數據，這些數據將會“污染”需要賦值的對象，最終，程序的行為將變得十分令人費解，你也會陷入令人惱火的除錯工作。

現在，人們制定了規則來規定：對象在什么時候確保會得到初始化，以及什么時候不會。但是遺憾的是，這些規則太過復雜了——在我看來，你根本沒必要去記憶它們。整體上講，如果你正在使用 C++ 中 C 語言的一部分（參見第 1 項），那么初始化會引入一些額外的運行時開銷，這一部分中對象不會確保初始化。但當你使用 非 C 的 C++ 部 分時，情況就有所改變。這便可以解釋為什么數組（ C++ 中的 C 語言）不會確保得到初始化，而一個 vector （ C++ 中的 STL ）會。

解決這類表面上的不確定性問題最好的途徑就是：總是在使用對象之前對它們進行初始化。對于內建類型的非成員對象，你需要手動完成這一工作。請看下邊的示例：

對于其他大多數情況而言，初始化的重擔就落在了構造器的肩上。這里的規則很簡單：確保所有的構造器初始化了對象中的所有東西。

遵守這一規則是件很容易的事情，但是還有件重要的事：不要把賦值和初始化搞混了。請看下邊的示例，你可以看到表示通訊錄中一個條目的類的構造器：

上邊的做法可以使得 ABEntry 的對象包含你所期望的值，但是這仍不是最優的做法。 C++ 的規 則約定一個對象的數據成員要在進入構造器內部之前得到初始化。在 ABEntry 的構造器內部， theName 、 theAddress 以及 thePhones 并不是得到了初始化，而是被賦值了。初始化工作應該在更早的時候進行：在進入 ABEntry 構造器內部之前，這些數據成員的默認構造器應該自動得到調用。注意這對于 numTimesConsulted 不成立，因為它是內建數據類型的。對它而言，在被賦值以前，誰也不能確保它得到了初始化。

編寫 ABEntry 的構造器的更好的辦法是使用成員初始化表，而不是為它們一一賦值：

如果僅看運行結果，上面的構造器與更靠前一些的那個是等價的，但是后者的效率更高些。為數據成員賦值的版本首先調用了 theName 、 theAddress 以及 thePhones 的默認構造器來初始化它們，在默認構造器已經為它們分配好了值之后，立即又為它們重新賦了一遍值。于是默認構造器的所有工作就都白費了。使用成員初始化表的方法可以避免這一浪費，這是因為：初始化表中的參數對于各種數據成員均使用構造器參數的形式出現。這樣， theName 就通過復制 name 的值完成了構造， theAddress 通過復制 address 的值完成構造， thePhones 通過復制 phones 的值完成構造。對于大多數類型而言，通過單一的調用拷貝構造器更加高效——在一些情況下尤其明顯——相對于首先調用默認構造器，然后再調用拷貝運算符而言。

對于內建類型的對象，比如 numTimeConsulted ，初始化與賦值的開銷是完全相同的，但是為了保證持久性，最好在初始化時不要忘記這類成員。類似地，即使你期望讓默認構造器來構造一個數據成員，你仍可以使用成員初始化表，只是不為初始化參數指定一個具體的值而已。比如，如果 ABEntry 擁有一個無參構造器，它可以這樣實現：

這是因為：當用戶定義類型的數據成員沒有構造器列在成員初始化表中的時候，編譯器會自動為其調用默認構造器，一些程序員認為這樣做有些過分了。這可以理解。但是“總將每個數據成員列在初始化表中”這一策略可以使你不必在出現疏忽以后，返回去查找哪些數據成員沒有進行初始化——疏忽是不存在的。比如說，如果你因為 numTimesConsulted 是內建數據類型的，就不將其列入成員初始化表中，那么你的代碼便極有可能呈現出無法預知的行為。

有些時候必須使用初始化表，即使是對于內建類型。舉例說， const 或者引用的數據成員必須得到初始化。它們不能被賦值（另請參看第 5 項）。對于那些既可以初始化又可以賦值的數據成員，為了省去記憶何時必須使用成員初始化表來初始化它們，最簡便的選擇就是永遠都使用初始化表。一些時候初始化表是必須的，在更多情況下這樣做是為了獲得比賦值更高的效率。

許多類設計有多個構造器，每個構造器都有自己的成員初始化表。如果有非常多的數據成員和 / 或基類時，就會存在多個初始化表，這時列表中將存在不少無意義的重復，程序員們也會變得十分厭煩。在這種情況下，你也可以考慮忽略表中的一些項目，這些忽略的數據成員應符合這一條件：對它們進行賦值還是真正的初始化沒有什么差別。可以把這些賦值語句放在一個單一（當然是私有的）的函數里，并讓所有的構造器在必要的時候調用這個函數。這一方法在數據成員要接收的真實的初始化數據保存在一個文件中，或者要到一個數據庫中去查找時，尤其有用。但是大致上講，真正的成員初始化終究要比通過賦值進行偽初始化要好。

C++ 還是存在 穩定的方面的，其中之一就是：對象中數據的初始化的順序是恒定的。這個次序通常情況下是這樣的：基類應在派生類之前得到初始化（另參見第 12 項），在類的內部，數據成員應以它們聲明的順序得到初始化。比如說在 ABEntry 內部， theName 永遠都是第一個得到初始化的， theAddress 第二， thePhones 第三， numTimesConsulted 最后。即使它們在成員初始化表中的排列順序不同于聲明次序，（這樣做看上去不應該算作法，但不幸的是事實不是這樣。）上述初始化順序也會得到遵循。為了不使讀者陷入困惑，也為了避免日后出現讓人難以理解的 bug ，你應該保證初始化表中成員的順序與它們被聲明時的順序嚴格一致。

在你完成了對內建類型的非成員對象的顯式初始化，并且確保了構造器使用成員初始化表對基類和數據成員進行了初始化之后，需要你關心的工作就僅剩下了一個，那就是（先長舒一口氣）：在不同的置換單元中，非局部靜態對象的初始化次序是怎樣的。

讓我們一步一步地解決這個問題：

一個靜態對象在被構造之后，它的壽命一直延續到程序結束。保存在棧或堆中的對象都不是這樣。靜態對象包括：全局對象、名字空間域對象、類內部的 static 對象、函數內部的 static 對象，文件域的 static 對象。函數內部的靜態對象通常叫做局部靜態對象（這是因為它們對于函數而言是局部的），其它類型的靜態對象稱為非局部靜態對象。靜態對象在程序退出的時候會被自動銷毀，換句話說，在 main 中止運行的時候，靜態對象的析構器會自動得到調用。

一個置換單元是這樣一段源代碼：由它可以生成一個目標文件。通常一個置換單元是以單一一個代碼文件為基礎，還要包括所有被 #include 進來的文件。

于是，我們所要解決的問題中，至少包含兩個需要單獨編譯的源碼文件，每一個都至少包含一個非局部靜態對象（換句話說，是一個全局的，或者名字空間域的，抑或類內部或者文件域的 static 對象）。問題的本質在于：如果一個置換單元內的一個非局部靜態對象的初始化工作利用了另一個置換空間內的另一個非局部靜態變量，那么所使用的對象應該是未經初始化的，這是因為：定義在不同置換單元內的非靜態對象的初始化工作的順序是未定義的。

這里一個示例可以幫助我們理解這一問題。假設你編寫了一個 FileSystem 類，它可以讓 Internet 上的文件看上去像是本地的。由于你的類要使得整個世界看上去像是一個單一的文件系統，你應該創建一個專門的類來代表這個單一的文件系統，讓這個類擁有全局的或者名字空間的作用域：

一個 FileSystem 對象絕對是重量級的，所以說在 tfs 對象被構造之前使用它會帶來災難性后果。

現在設想一下，一些客戶端程序員為文件系統創建了一個文件夾的類。很自然地，他們的類會使用 tfs 對象。

進一步設想， 客戶端程序員 可能會為臨時文件創建 一個單獨的 Directory 對象：

現在，出示化次序的重要性已然浮出水面：除非 tfs 在 tempDir 得到初始化， tempDir 的構造器將會嘗試在 tfs 被初始化之前使用它。但是 tfs 和 tempDir 是由不同的人、在不同的時間、在不同的源碼文件中創建的——這兩者都是非局部靜態對象，它們定義于不同的置換單元中。那么你如何保證 tfs 在 tempDir 之前得到初始化呢？

事實上這是不可能的。重申一遍， 定義在不同置換單元內的非靜態對象的初始化工作的順序是未定義的 。當然這是有理由的：為非局部靜態對象確定“恰當的”初始化順序是一件很有難度的工作。非常有難度。根本無法解決。在其大多數形式——由隱式模板實例化產生的多個置換單元和非局部靜態對象（也許它們是自己產生的，只是產生的過程借助了隱式模板實例化的力量）——這不僅使得確認初始化的順序變得不可能，甚至尋找一種可行的初始化順序的特殊情況，都顯得毫無意義。

幸運的是，一個小小的方法可以完全排除這個難題。所要做的僅僅是把每個非局部靜態對象移入為它創建的專用函數中，函數要聲明為 static 的。這些函數返回一個它們所包含的對象的引用。于是客戶端程序員就可以調用這些函數，而不是直接使用那些對象。也就是說，非局部靜態對象被局部靜態對象取代了。（設計模式迷們很容易發現，這是 Singleton 模式一個通用實現。）

這一方法基于 C++ 的一個約定，那就是：對 于局部靜態對象來說， 在其被上述函數調用的時候，程序中第一次引入了對 該對象的定義，它在此時就一定會得到初始化。所以說對于局部靜態對象，如果你不使用直接訪問，而改用“通過函數返回的引用來調用”，你就保證了你得到的這一引用所引用的是一個經初始化的對象。作為獎勵，如果你從未調用過模仿非局部靜態對象的函數，你的程序就永遠不會引入對這類對象進行構造和析構的開銷，而這對于真正的非局部靜態對象來說是不可能的。

下面是對這一技術的應用，以 tfs 和 tempDir 為示例：

這一改進系統不需要客戶端程序員做出任何改變，除了他們所引用的是 tfs() 和 tempDir() 而不是 tfs 和 tempDir 。也就是說，他們使用的是函數返回的引用而不是直接使用對象本身。

編寫這一類返回引用的函數所需要遵循的方針總是十分簡單的 ：在第 1 行定義和初始化一個局部靜態對象，在第 2 行返回它的引用。如 此的簡單易用使得這類函數非常適合作為內聯函數，尤其是對它們的調用非常頻繁時（參見第 30 項）。另外，這些函數中包含著靜態對象，在多線程系統中它們也許會遇到問題。在此聲明，任何種類的非 const 靜態對象，無論是局部的還是非局部的，它們面對多線程都會碰到這樣那樣的問題。解決這一問題的方法之一是：在程序還以單線程狀態運行時，手動調用所有的這類返回引用的函數。這可以排除與初始化相關的競爭狀態的出現。

當然，使用此類返回引用的函數來防止初始化次序問題的理念，首先基于此處存在一個合理的初始化次序。如果你的 系統要求對象 A 必須在對象 B 之前得到初始化，但是 A 的初始化需要以 B 的初始化 為前提，你將會面臨一個問題，坦白說，你是咎由自取。然而，如果你能夠駕馭這一不正常的境況，這里介紹的解決方法仍然可以良好的為你服務，至少對于單線程應用程序來說是這樣的。

為了避免在對象初始化之前使用它，你僅僅需要做三件事。第一，手動初始化基本類型的非成員對象。第二，使用成員初始化表來初始化對象的每一部分。最后，初始化次序的不確定性會使定義于不同置換單元中的非局部靜態對象之間產生沖突，要避免這樣的設計。

需要記住的

l 由于 C++ 只在某些情況下對于基本類型對象進行初始化，所以對它們要進行手動初始化。

l 對于構造器，要盡量使用成員初始化表，避免在構造器內部進行復制。初始化表中的次序要與成員在類中被聲明的次序相一致。

l 要避免跨置換單元的初始化次序問題發生，可以使用局部靜態對象來代替非局部靜態對象。