C++全局构造和初始化

片段摘自程序员的自我修养—链接、装载与库.pdf 11.4

程序在进入main之前,需要对全局对象进行构造初始化。

glibc全局对象进行构造初始化

gibc启动程序时会经过.init段,退出程序时会经过.finit段。这两个段中的代码最终拼接成_init()_finit(),这两个函数优先于/后于main函数执行。

_start->_init()->main()->_finit()

用户所有放在.init段的代码将在main函数之前执行,即全局对象的初始化。具体执行流程如下:

_start->__libc_start_main->__libc_csu_init->_init->__do_global_ctors_aux

void __do_global_ctors_aux(void)
{
 /*call constructor functions*/
 unsigned long nptrs = (unsigned long)__CTOR_LIST__[0];
for(unsigned i = nptrs;i >= 1;i--)
	__CTOR_LIST__[i]
}

CTOR_LIST 存放所有全局对象的构造和初始化的函数指针。__do_global_ctors_aux从__CTOR_LIST__ 的下一个位置开始,按顺序执行函数指针,直到遇上NULL(__CTOR_END__),从而调用所有全局对象的构造函数。

那么__CTOR_LIST__ 是如何初始化的呢?
GCC编译器在编译的时候会遍历每个编译单元的全局对象,生成一个特殊函数_GLOBAL__I_HW,利用这个特殊函数对本编译单元的所有全局、静态对象进行初始化。

static void _GLOBAL__I_HW(void)
{
	Hw::Hw();//构造对象
	atexit(__tcf_l)
}

一旦目标文件里面有这样的函数,编译器则会在这个编译单元目标文件的.ctors放置一个指针,指向_GLOBAL__I_HW。即__CTOR_LIST__列表保存的是每个编译单元的_GLOBAL__I_HW函数指针。链接器则会将所有的目标文件的.ctors合并成一个.ctors段
__CTOR_LIST__ 代表所有.ctors的起始地址。
__CTOR_END__ 指向.ctors段的末尾。
在这里插入图片描述
所以如果想在main之前调用函数,只需要在.ctors段里面添加函数指针即可。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//main函数之前执行
__attribute((constructor)) void before_main()
{
        printf("====%s=====\n", __FUNCTION__);
}

//main函数之后执行
__attribute((destructor)) void after_main()
{
        printf("====%s=====\n", __FUNCTION__);
}


int main(int argc, char **argv)
{
        printf("=====entering %s.========\n", __FUNCTION__);

        printf("====exiting from main!===\n");
        return 0;
}

在这里插入图片描述

MSVC 全局对象进行构造初始化

msvc的入口函数mainCRTStartup

mainCRTStartup()
{
	...
	_initterm(__xc_a,__xc_z);
	...
}

其中__xc_a__xc_z是两个函数指针。而_initterm的内容则是:

typedef void (__cdecl *_PVFV)();
static void __cdecl _initterm(_PVFV* pfbegin,_PVFV* pfend)
{
	while(pfbegin < pfend)
	{
		if(*pfbegin  != null)
			(**pfbegin)();
		++pfbegin;
	}
}

第一眼看上去和glibc几乎一模一样,__xc_a相当于指针的开始地址__CTOR_LIST____xc_z则相当于结束地址__CTOR_END__

那么msvc 是如何初始化__xc_a__xc_z的呢?

_CRTALLOC(".CRT$XCA") _PVFV __xc_a[] = {NULL};
_CRTALLOC(".CRT$XCZ") _PVFV __xc_Z[] = {NULL};

其中_CRTALLOC定义

#pragma section(".CRT$XCA",long,read)
#pragma section(".CRT$XCZ",long,read)

#define _CRTALLOC(x) __declspec(allocate(x))

#pragma section("section-name",[,attributes])的作用是在obj的文件里创建名为section-name,并具有指定的attributes属性。所以上述两条指令实际生成了两个名为.CRT$XCA、.CRT$XCZ的段。__declspec(allocate(x)则表示变量将变量分配在段x里。所以__xc_a分配在.CRT$XCA__xc_z分配在.CRT$XCZ里。
msvc编译的时候,会为每一个编译单元生成.CRT$XCU(U是User的意思)的段。在这个段里面加入自身的全局初始化函数。链接的时候将所有相同属性的段合并。段根据字母A-Z的顺序排序
在这里插入图片描述
所以如果想在main之前调用函数,只需要在段(A-Z之间,不包含A,Z.CRT$XCB里面添加函数指针即可。

因为全局初始化函数在段.CRT$XCU里面,根据A-Z排序并执行。所以如果想要在全局构造函数之前执行,段名必须在U之前。如果想在全局构造函数之后main之前则段名必须在U之后。不包含A,Z

class CA
{
public:
	CA(){printf("CA::CA\r\n");}
	~CA(){printf("CA::~CA\r\n");}
};

#define SECNAME ".CRT$XCB"

#pragma section(SECNAME,long,read)
void foo()
{
	printf("foo \r\n");
}
typedef void(_cdecl* _PVFV)();
_declspec(allocate(SECNAME)) _PVFV dummy[] = { foo };



CA g_obj;
int main()
{
	printf("main enter\r\n");
	printf("main exit\r\n");
    return 0;
}

.CRT$XCB段输出(先执行foo,在执行全局对象初始化,在执行main
在这里插入图片描述
.CRT$XCY段输出(先执行全局对象初始化,在执行foo,在执行main
在这里插入图片描述

Note:注意事项,如果在main函数之前想引用全局变量或者函数,此时全局变量的构造函数还没执行。可能结果和预期不一致。
demo: foo里面改变CA成员变量的值。

CA g_obj;

void foo()
{
	g_obj.m_a = 10;
	printf("foo g_obj addr:%I64d g_obj.m_a=%d\r\n", &g_obj, g_obj.m_a);
}

int main()
{
	printf("main enter\r\n");
	printf("foo g_obj addr:%I64d g_obj.m_a=%d\r\n", &g_obj, g_obj.m_a);
	printf("main exit\r\n");
    return 0;
}

在这里插入图片描述
虽然在foo里面改变了m_a,但是稍后执行段.CRT$XCU时此时会调用CA::CA导致m_a被重新赋值0

### C++ 静态全局变量的初始化C++中,静态全局变量可以在定义时进行初始化。这类变量具有文件作用域或命名空间作用域,在程序启动前由编译器自动完成初始化。 对于基本类型的静态全局变量,可以直接赋初值: ```cpp // 定义并初始化一个整型静态全局变量 int g_nVal = 10; ``` 如果未显式指定初始值,则会根据类型默认初始化为零或其他适当值[^2]。 对于复杂对象类型的静态全局变量,可以通过调用构造函数来初始化: ```cpp class MyClass { public: MyClass(int val): value(val) {} private: int value; }; MyClass myObject(42); // 使用参数化构造函数初始化 ``` 需要注意的是,多个翻译单元中的静态变量初始化顺序是不确定的,这可能导致潜在的风险。为了避免此类问题,可以采用局部`static`变量的方式延迟初始化,这种方式不仅安全而且支持多线程环境下的正确初始化[^3]。 #### 多线程环境下静态全局变量的安全初始化 为了确保在多线程环境中静态全局变量能够被安全地初始化,现代C++标准提供了内置的支持机制。例如,下面的例子展示了如何利用局部静态变量特性实现线程安全的单例模式实例创建: ```cpp Singleton& getSingletonInstance() { static Singleton instance; // 自动处理一次性线程安全性 return instance; } ``` 此方法通过编译器保障了即使是在并发场景下也能恰当地执行初始化操作,并且只会在第一次访问该函数时发生。
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