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局部静态变量是如何做到只初始化一次的?

2015-07-16 23:35 411 查看

关于编译选项 -Wa,-adlhn参考
http://blog.csdn.net/lanxinju/article/details/5900986
以下内容来自于内网别的高人的回复

可以写个程序测试一下：

class A
{
public:
A() {}
public:
int a;
};

int static_var_func()
{
static A a;
return a.a++;
}

int main(int argc, char * argv[])
{
static_var_func();
return 0;
}

看看汇编

g++ -c -g -Wa,-adlhn yy.cpp

结果：

10:yy.cpp        **** int static_var_func()
35                            .loc 1 10 0
36 0000 55                    pushq   %rbp
37                    .LCFI2:
38 0001 4889E5                movq    %rsp, %rbp
39                    .LCFI3:
40                    .LBB2:
11:yy.cpp        **** {
12:yy.cpp        ****     static A a;
41                            .loc 1 12 0
42 0004 B8000000              movl    $_ZGVZ15static_var_funcvE1a, %eax
42      00
43 0009 0FB600                movzbl  (%rax), %eax
44 000c 84C0                  testb   %al, %al
45 000e 7527                  jne     .L4
46 0010 BF000000              movl    $_ZGVZ15static_var_funcvE1a, %edi
46      00
47 0015 E8000000              call    __cxa_guard_acquire
47      00
48 001a 85C0                  testl   %eax, %eax
49 001c 0F95C0                setne   %al
50 001f 84C0                  testb   %al, %al
51 0021 7414                  je      .L4
52 0023 BF000000              movl    $_ZZ15static_var_funcvE1a, %edi
52      00
53 0028 E8000000              call    _ZN1AC1Ev
53      00
54 002d BF000000              movl    $_ZGVZ15static_var_funcvE1a, %edi
54      00
55 0032 E8000000              call    __cxa_guard_release
55      00
56                    .L4:
13:yy.cpp        ****     return a.a++;
57                            .loc 1 13 0
58 0037 8B050000              movl    _ZZ15static_var_funcvE1a(%rip), %eax
58      0000
59 003d 89C2                  movl    %eax, %edx
60 003f 83C001                addl    $1, %eax
61 0042 89050000              movl    %eax, _ZZ15static_var_funcvE1a(%rip)
61      0000
62 0048 89D0                  movl    %edx, %eax
63                    .LBE2:
14:yy.cpp        **** }
64                            .loc 1 14 0
65 004a C9                    leave
66 004b C3                    ret

亮点就在__cxa_guard_acquire和__cxa_guard_release上，这两个函数实现于libstdc++。大意是一个全局的mutex和一个cond来保护一个锁变量（_ZGVZ15static_var_funcvE1a），锁变量再来保护目标变量（_ZZ15static_var_funcvE1a）。锁变量的第一个字节（也就是%al）表示目标变量是否被初始化过了，第二个字节表示目标变量是否在初始化中。__cxa_guard_acquire的时候将锁变量的第二个字节置1，表示初始化中；如果已经为1了，就等待它变0（通过全局cond）再返回（保证初始化结束）。__cxa_guard_release的时候清除第二个字节，再将第一个字节置1。

简单地说，g++在变量初始化的前后，自动加了锁保护代码。

另外还有一种可能的情况，变量初始化的时候，如果存在自引用，可能会循环初始化产生死锁。g++对这种情况也有考虑。
http://www.dutor.net/index.php/2013/06/initialization-of-local-static-variables/
　　不必说静态变量和普通变量的区别，也不必说静态变量及其作用域的得与失，单单说一下函数作用域的静态变量是如何初始化的。

int foo()
{
static int n = init();
//~ do anything/nothing on 'n'
return n;
}

　　在 foo() 第一次被调用时，foo()::s 只初始化一次（C 中，静态变量只允许以常量初始化）。“只初始化一次”是如何保证的呢？当然需要编译器维护一个状态，来标识该变量是否已被初始化，并安插代码，在每一次函数被调用时进行判断。咱们通过汇编验证一把：

.globl _Z3foov
.type _Z3foov, @function
_Z3foov:
.LFB1405:
pushq %rbp
.LCFI13:
movq  %rsp, %rbp
.LCFI14:
movl  $_ZGVZ3foovE1n, %eax
movzbl  (%rax), %eax
testb %al, %al
jne .L18
movl  $_ZGVZ3foovE1n, %edi
call  __cxa_guard_acquire
testl %eax, %eax
setne %al
testb %al, %al
je  .L18
call  _Z4initv
movl  %eax, _ZZ3foovE1n(%rip)
movl  $_ZGVZ3foovE1n, %edi
call  __cxa_guard_release
.L18:
movl  _ZZ3foovE1n(%rip), %eax
leave
ret

　　寄存器、指令和标号不提，其他符号是什么含义呢？通过 c++filt 进行 demangling，_ZGVZ3foovE1n 标识 ‘guard variable for foo()::n’，作为前面提到的“初始化状态标识”用（低字节），_ZZ3foovE1n 标识 ‘foo()::n’，_Z4initv 即 init()。
　　那 __cxa_guard_acquire 和 __cxa_guard_release 呢？故名思议，这两个函数具有锁语义。为什么需要锁呢？当然是基于静态变量的线程安全考虑了。静态变量的状态变化属于业务逻辑，编译器管不着也管不了，但静态变量的初始化过程由编译器负责，在初始化线程安全的问题上还是可以出把力的。
　　分析上述汇编代码。首先获取 guard 变量，判断低字节是否为 0，若非零，表示已经初始化，可以直接使用。否则，将 guard 作为参数调用 __cxa_guard_acquire，如果锁成功，调用 init() 初始化静态变量 foo()::n，然后释放锁。如果锁失败，说明产生竞态条件，则会阻塞当前线程，不同于普通锁的地方在于，__cxa_guard_acquire 是有返回值的（当然 pthread_lock 也有返回值，但用途不同），如果发生了等待，__cxa_guard_acquire 返回 0，并不会进入 foo()::n 的初始化过程（其他线程已经初始化过了，初始化失败的情况就不细究了）。
　　为了验证上述分析，可以将 init() 实现成一个耗时的操作，令多个线程“同时”调用 foo()，然后查看各个线程的运行状态。
　　利用该机制，可以很好的实现所谓 Singleton 模式：

Singleton* Singleton::GetInstance()
{
static Singleton instance;
return &instance;
}

　　对于单线程程序，静态变量的保护是没有必要的，g++ 的 -fno-threadsafe-statics 选项可以禁掉该机制。

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