实例解析C++/CLI之静态构造函数

[align=center]实例解析C++/CLI之静态构造函数[/align]

就某些类而言，当在程序中第一次使用时，最好能有一个初始化过程；当程序不再需要时，也最好能做一些收尾工作，这些都是非常好的类设计习惯。

引出问题
如果有这样一种情况，某种类型的每个实例都必须有其唯一的ID，比如说某种交易类型，这些ID可用于在处理过程中追踪每笔交易，或之后用于审计员查看数据文件；为讨论方便，此处的ID为从0起始的有符号整型数。
如果把一个nextID值保存在内存中，并在每个新实例构造时，把它递增1，这无疑是一个不错的想法，但是，为使在程序连续的执行过程中保持ID值的唯一，就需要在每次程序结束时保存此值，并在下次程序开始运行时恢复这个值，但在标准C++中，是没办法来达到这个目的的，实际上，使用标准CLI库也同样没办法完成。然而，在CLI的.NET实现中有几个扩展库，它们却可以完成这个任务。

问题重现
这回又用到了Point类，因为带有唯一ID的点很适合此主题。例1中的程序输出在代码之后：

例1：
using namespace System;
Point F(Point p) {
return p;
}

int main()
{
/*1*/ Point::TraceID = true;

/*2*/ Point^ hp1 = gcnew Point;
Console::WriteLine("hp1: {0}", hp1);

/*3*/ hp1->Move(6,7);
Console::WriteLine("hp1: {0}", hp1);

/*4*/ Point^ hp2 = gcnew Point(3,4);
Console::WriteLine("hp2: {0}", hp2);

/*5*/ Point p1, p2(-1,-2);
Console::WriteLine("p1: {0}, p2: {1}", %p1, %p2);
/*6*/ p1 = F(p2);
Console::WriteLine("p1: {0}", %p1);
}

输出：
hp1: [0](0,0)
hp1: [0](6,7)
hp2: [1](3,4)
p1: [2](0,0), p2: [3](-1,-2)
p1: [2](-1,-2)

在程序开始运行时，从一个文本文件中读取下一个可用的ID值，并用它来初始化一个Point类中的私有静态（private static）字段。最开始，这个文件包含的值为零。
基于公共静态布尔属性TraceID的值，Point中ToString函数生成的字符串可有选择地包含Point的ID，并以 [id] 的形式作为一个前缀。如果此属性值为true，就包含ID前缀；否则，就不包含。默认情况下，这个属性值被设为false，因此，在标号1中我们把它设为true。
在标号2中，使用默认构造函数为Point分配了内存空间，并显示它的ID为0及值为(0,0)。在标号3中，通过Move函数修改了Point的x与y坐标值，但这不会修改Point的ID，毕竟，它仍是同一个实例——只不过用了不同的值。接着，在标号4中，使用了接受两个参数的构造函数为另一个Point分配了内存空间，并显示它的ID为1及值为(3,4)。
在标号5中创建了两个基于堆栈的实例，并显示出它们的ID及值。在第三个及第四个Point创建时，它们的ID分别为2和3。
在标号6中，p1被赋于了一个新值，然而，p1仍是它之前的同一个Point，所以它的ID没有改变。

第二次运行程序时，输出如下：
hp1: [6](0,0)
hp1: [6](6,7)
hp2: [7](3,4)
p1: [8](0,0), p2: [9](-1,-2)
p1: [8](-1,-2)

如上所示，4个新实例都被赋于了连续的ID值，且与第一次执行时截然不同，但是，还缺少ID 4和5。请留意标号6及函数F的定义，Point参数是传值到此函数的，而一个Point也是通过值返回的。同样地，这两者都会调用到复制构造函数，而其则“忠实”地创建了一个新实例，且每个新实例都有一个唯一的ID。因此，当p2通过值传递时，会创建一个ID为4的临时Point，紧接着，当副本通过值返回时，又会创建一个ID为5的副本，而两个副本都是可丢弃的。当程序结束时，写入到文件中下一个可用的ID为6，而在程序下次运行时，这就是第一个Point在分配空间时将用到的ID。

解决方法
例2中为Point类的修订版本，非常明显，每个实例现在必须包含一个额外的字段（在此为ID），用以保存ID，在此选择的类型为int，虽然标准C++允许其最小为16位，但在CLI环境中，其至少为32位。如果以零开始，那么在ID重复之前，能表示20亿个不同的实例；当然，也能以负20亿开始，那么能表示的范围又将扩展一倍；倘若想要把ID字段再进行扩展，可使用类型long long int，那么至少能有64位，可以创建数不胜数的实例。那么ID为unsigned行吗？如果它的值不会输出到它的父类之外，是可以的，请记住一点，无符号整型与CLS不兼容。（还可选择System::Decimal，其可表示128位。）

例2：
using namespace System;
using namespace System::IO;

public ref class Point
{
int x;
int y;
/*1*/ int ID;

/*2*/ static int nextAvailableID;
/*3*/ static int GetNextAvailableID() { return nextAvailableID++; }
/*4*/ static bool traceID = false;
/*5*/ static String^ masterFileLocation;

/*6*/ static Point()
{
/*6a*/ AppDomain^ appDom = AppDomain::CurrentDomain;
/*6b*/ masterFileLocation = String::Concat(appDom->BaseDirectory,
"//PointID.txt");
/*6c*/ try {
/*6d*/ StreamReader^ inStream = File::OpenText(masterFileLocation);
/*6e*/ String^ s = inStream->ReadLine();
/*6f*/ nextAvailableID = Int32::Parse(s);
/*6g*/ inStream->Close();

/*6h*/ appDom->ProcessExit += gcnew
EventHandler(&Point::ProcessExitHandler);
}
/*6i*/ catch (FileNotFoundException^ ioFNFEx)
{
//采取某些必要的措施
}
/*6j*/ finally
{
appDom = nullptr;
}
}

/*7*/ static void ProcessExitHandler(Object^ sender, EventArgs^ e)
{
/*7a*/ StreamWriter^ outStream = File::CreateText(masterFileLocation);
/*7b*/ outStream->WriteLine("{0}", nextAvailableID);
/*7c*/ outStream->Close();
}
public:

// ...

/*8*/ static property bool TraceID
{
bool get() { return traceID; }
void set(bool val) { traceID = val; }
}

// define instance constructors

Point()
{
/*9*/ ID = GetNextAvailableID();
X = 0;
Y = 0;
}

Point(int xor, int yor)
{
/*10*/ ID = GetNextAvailableID();
X = xor;
Y = yor;
}

Point(Point% p) // copy constructor
{
/*11*/ ID = GetNextAvailableID();
X = p.X;
Y = p.Y;
}

// ...

/*12*/ virtual int GetHashCode() override
{
// ...
}

virtual String^ ToString() override
{
/*13*/ if (traceID)
{
return String::Format("[{0}]({1},{2})", ID, X, Y);
}
else
{
return String::Format("({0},{1})", X, Y);
}
}
};

一旦作为static，标号2至5中定义的成员属于类，而不属于任何实例；而作为private，它们只是一个实现的细节。

使用这个类
C++/CLI在非本地类中，引入了静态构造函数的概念，它的类名声明为static，如上例标号6所示。尽管一个静态构造函数是在类第一次使用之前被调用，但“使用”意味着什么呢？一个引用类静态构造函数的执行，是由类中对某个静态数据成员的第一次引用触发的。

根据C++/CLI标准：一个静态构造函数不应有一个ctor初始化过程（ctor-initializer），静态构造函数也不可以被继承，且不能被直接调用。如果一个类的初始化过程带有静态字段，那么这些字段会在静态构造函数执行之前，以声明的顺序被初始化。
为静态构造函数生成的元数据总会标记为private，而不管它们是否带有声明或暗指的访问指定符。（但编译器会发出警告：“Accessibility on class constructor was ignored”）。在本文写作时，至于一个带有给定访问指定符的静态构造函数，是否应为private之外的问题，仍在讨论之中，因此，访问指定符总是会被忽略。
而一个没有显式指明静态构造函数的引用类，它的行为，就会像是有一个空的静态构造函数体一样。

在上例标号6a中，利用AppDomain类，为当前线程获取了应用程序域（Application domains）。而根据CLI标准库：应用程序域表现为System::AppDomain对象，提供了隔离性、卸载及托管代码执行时的安全边界检查。多个应用程序域可运行于单个进程中，但是，也不存在应用程序域与线程的一对一关系，可以同时有几个线程属于某一个应用程序域，且同时某一个既定的线程也不会限制在某个单独的应用程序域中，但无论何时，一个线程只能在一个应用程序域中执行。

用于追踪在程序执行时下一个可用的ID的文本文件名为“PointID.txt”，与可执行程序位于同一目录中，如标号6b所示。（Concat可同时用于一个Unicode宽字符串及普通窄字符串，其会在编译时自动转换为宽字符串。）在标号6d中打开此文件，并在标号6e中读取，输入的字符串在标号6f中转换为一个整数，接着，在标号6g中关闭此文件。而try/catch块用于可能抛出的I/O异常。
只读属性BaseDirectory与CurrentDomain是Microsoft对标准CLI库的扩展。
在I/O中使用的类型，如StreamReader与File，存在于System::IO命名空间中。
标号6h注册了一个处理函数，用于在程序快要结束时调用。注意，对一个类来说，没有静态析构函数。

Finally子句
C++/CLI支持对try/catch的一个扩展，也就是finally子句，位于它块内的代码总会被执行，而不管对应的try块中是否产生了一个异常。这就是说，finally子句会在try块正常结束后执行，或者说，会在与try相联的catch块之后执行。
在上例的标号6j中，finally子句只是简单地把appDom句柄设置为null值，因此，就不会再对AppDomain对象进行访问了。但这种做法有点多余，因为父类块退出时，总会执行到这一行，所以，在此只是作为一个对此功能的简要介绍。

事件处理
CLI支持事件的概念，简单来说，一个事件就是一个非本地类成员，它可使一个对象或类提供通知机制。标准CLI类System::AppDomain包含了几个这样的事件，但Microsoft的扩展版本甚至包含了更多的事件，比如说ProcessExit，其在例2的标号6h中被引用。
当一个特定的事件发生时，与事件相联的函数会以它们之前相联的顺序被调用，从最简单的形式来说，一个事件只与一个函数发生联系，而这也只是通过简单的赋值完成的，也就是说，包装了函数的代理被赋值给事件成员。而从更一般的形式来说，一个事件在不同时间，通过 += 复合赋值操作符，可与任意多个函数相联。之所以在标号6h中使用这个操作符，是因为不知道事件是否已与事件处理程序相联，如果已经相联，又使用了简单的 = 赋值符，那么这些函数将不再与此事件相联系。
每个事件都有一个类型，以ProcessExit来说，类型为System::EventHandler，其是一个用于包装分别接受两个参数System::Object^ 与System::EventArgs^ 函数的代理类型，且有一个void返回类型。而定义在标号7中的ProcessExitHandler函数，也正好具有同样的特征（参数类型）。同时，在标号6h中，把此函数注册为一个事件处理程序，以便在进程退出的事件发生时调用。当这个函数被调用时，它会覆写此前的文本文件，写入一个下次执行时可用的ID值，而传递进来的参数会被忽略。

代理
根据C++/CLI标准：代理定义为一个从System::Delegate继承而来的类，它可用于调用所有带有一组参数的代理实例的函数。（注意，与指向成员函数的指针不同，一个代理实例能被绑定至任意类的成员，只要函数类型与代理类型匹配就可，所以，代理非常适合于“匿名”调用。）
而在本例中，用到了一个定义在CLI库中的代理类型，名为System::EventHandler。然而，使用关键字delegate，也能定义自己的代理类型。在标号6h中，就使用了gcnew创建了一个代理的实例。由于被包装的函数为static，而构造函数的调用也只给了一个参数，所以，指向成员函数ProcessExitHandler的指针，其类型也必须与代理相匹配。（要包装一个实例函数，必须提供实例自身的句柄作为第一个参数。）

对Point的其他修改
对TraceID属性的读取与写入定义在标号8中，而使用在标号12中。
三个构造函数（标号9、10、11）全部会创建新的Point实例，所以它们需要为ID分配一个唯一的值，且其他的成员函数只会对现有的实例进行操作，而不会修改任何ID值。初始化只会在当一个对象创建时才会发生，因此也需要一个新的ID，而赋值操作发生在对象创建之后，所以在此不需要新的ID。
在标号12中，GetHashCode返回一个int，其正是ID所需的类型。同样，这个函数也能返回一个值，从而保证有一个唯一的哈希值。（当然了，如果ID的类型为unsigned或long long，就需要把它缩减为一个int类型。）
至于是否包含ID前缀，全在ToString中完成，见标号13。

Initonly字段
在非本地类中，如果一个字段声明中带有initonly标识符，其通常为一个在ctor初始化过程、构造函数体、或一个静态构造函数中的左值，而在其他情况中，其为一个右值。（特别要说明，一个静态的initonly字段只能被静态的构造函数所修改，而一个实例initonly字段只能被实例构造函数所修改。）除了当类第一次使用，或一个实例被创建时之外，都可以把这个字段当作只读类型，例如，某些工程数据类型有一张静态系统表，在每次程序运行时，其值都必须从一个文件中读出，但之后，就当作只读类型，例3就是这样一种情况。

例3：
using namespace System;

public ref class EngineeringData
{
/*1*/ static initonly array<double>^ coefficients;
/*2*/ static EngineeringData()
{
int elementCount;
//找出需要多大的数组
// elementCount = ...
coefficients = gcnew array<double>(elementCount);
for (int i = 0; i < elementCount; ++i)
{
// coefficients[i] = ...
}
}
public:
/*3*/ static property double Coeff[int] {
double get(int index) { return coefficients[index]; }
}
};
int main()
{ double d;
try {
/*4*/ d = EngineeringData::Coeff[2];
}
catch (IndexOutOfRangeException^ ex)
{
//处理异常
}
}

保存了系数的静态数组在标号1中声明为initonly，在静态构造函数中，打开了一个包含系数的文件，在确定数目后分配了相应大小的数组，并从文件中读取数值，保存到数组中。
与其让数组成为public或让程序员用下标来直接访问数组，倒不如让数组隐藏在一个只读的命名索引属性之后。（方括号表示了索引属性。）在本例中，是以逗号隔开的索引列表，这意味着，可以使用一个下标来索引到这个类，如标号4所示。（与多维数组下标相似，索引访问一个索引属性是使用了[]中的逗号分隔索引列表。）
C++/CLI默认情况下还允许一个索引属性名作为一个关键字，也就是说，一个实例名可被直接索引，而无须使用任何成员名。然而，这只对实例索引的属性可行，所以在此不能使用。同样地，属性名为Coeff。

一个initonly字段不是一个编译时命名常量，因此，它无须包含一个带有常量的初始化过程，且initonly也不会限制是否带有一个标量。
如果一个类包含了带有初始化过程的任意initonly字段，它们会以声明的顺序，在静态构造函数执行之前被初始化。
那能把Point类中的nextAvailableID标为initonly吗？毕竟，它只会在构造函数中被修改，答案是不可以，因为它是一个静态成员，且它只能被静态构造函数所更新。