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[原创]C++ static关键字引发的思考
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发表于: 2023-12-9 20:57
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在类中，可以使用static关键字修饰成员函数和变量，被修饰后的函数或变量被称为静态成员函数或变量。它们属于整个类，不属于某一个对象，这意味着无需创建对象即可访问静态成员函数或变量。最常见的一个用法就是单例模式(整个类仅可只有一个对象)，例：
此处的static主要用于限制修饰对象的作用域。
面向过程中的静态局部变量"只能被初始化一次"是如何实现的？
考虑到静态变量有可能被多次初始化且使用变量初始化，使用的例子如下：
func_a函数中是以常量初始化静态局部变量func_a_value，因此编译器直接将0x1234写入.data对应的位置，这与单(多)线程无关，与单(多)次初始化无关。
若函数以变量形式初始化静态局部变量，则实现初始化一次的原理见静态局部变量res。
存在多个线程初始化res的情况，因此需要进行线程同步。IDA反汇编func_b函数之后的结果如下：
对应的C++代码如下:
_Init_thread_header的源代码如下：
_Init_thread_footer的源代码如下：
从上述代码来看，事情非常明了。pOnce指向的内存初始值为0，通过临界区来实现线程同步，同时只能有一个线程进入到_Init_thread_header和_Init_thread_footer函数。
因为线程是乱序执行的，所以res的结果不是确定的，如下图：
源码的编译环境是Ubuntu 22.04，g++ 11.4.0
同Windows下的常量赋值给静态局部变量，IDA的视图如下：
变量赋值给静态局部变量见"静态局部变量res"章节
IDA反汇编func_b的结果如下:
从该图中可以看出，__cxa_guard_acquire发挥同_Init_thread_header相同的效果，而__cxa_guard_release发挥同_Init_thread_footer相同的效果。这两个函数的源码如下：
__cxa_guard_acquire函数源码
__cxa_guard_release函数源码
像Windows MSVC平台那样分CASE分析，初始状态*g = 0，__gnu_cxx::__is_single_threaded() = true。__gnu_cxx::__is_single_threaded()在pthread_create函数已经被设置为了false，这个操作在执行func_b函数之前。
class Singleton
{public:
static Singleton& instance() // 静态方法
{
static Singleton inst; // 静态对象在instance中声明
return inst;
}
int& get() { return value_; }
private:
Singleton() : value_(0) { std::cout << "Singleton::Singleton()" << std::endl; }
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
~Singleton() { std::cout << "Singleton::~Singleton()" << std::endl; }
private:
int value_; // 非静态成员变量
};int value = Singleton::instance().get() // Singleton::instance()返回静态对象inst
class Singleton
{public:
static Singleton& instance() // 静态方法
{
static Singleton inst; // 静态对象在instance中声明
return inst;
}
int& get() { return value_; }
private:
Singleton() : value_(0) { std::cout << "Singleton::Singleton()" << std::endl; }
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
~Singleton() { std::cout << "Singleton::~Singleton()" << std::endl; }
private:
int value_; // 非静态成员变量
};int value = Singleton::instance().get() // Singleton::instance()返回静态对象inst
#include <iostream>#include <thread>#include <chrono> // std::chrono::secondsusing namespace std;
void func_a();
void func_b(int a, int b);
int main()
{ func_a();
thread t1(func_b, 1, 2);
thread t2(func_b, 3, 4);
thread t3(func_b, 5, 6);
thread t4(func_b, 7, 8);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
getchar();
t1.join();t2.join();t3.join();t4.join();
return 0;
}void func_a()
{ static int func_a_value = 0x1234;
cout << "func_a_value => " << func_a_value << ", current function = > " << __FUNCTION__ << endl;
}void func_b(int a, int b)
{ static int res = a + b;
cout << "res => " << res << ", current thread id => " << std::this_thread::get_id() << endl;
}#include <iostream>#include <thread>#include <chrono> // std::chrono::secondsusing namespace std;
void func_a();
void func_b(int a, int b);
int main()
{ func_a();
thread t1(func_b, 1, 2);
thread t2(func_b, 3, 4);
thread t3(func_b, 5, 6);
thread t4(func_b, 7, 8);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
getchar();
t1.join();t2.join();t3.join();t4.join();
return 0;
}void func_a()
{ static int func_a_value = 0x1234;
cout << "func_a_value => " << func_a_value << ", current function = > " << __FUNCTION__ << endl;
}void func_b(int a, int b)
{ static int res = a + b;
cout << "res => " << res << ", current thread id => " << std::this_thread::get_id() << endl;
}if(pOnce > *(int *)(NtCurrentTeb()->ThreadLocalStoragePointer[0] + 0x104) // tls中存储的全局 局部静态变量初始化计数器, 初始值为INT_MIN(0x80000000)
{ _Init_thread_header(&pOnce)
if ( pOnce == -1 )
{
res = b + a; // 初始化代码
_Init_thread_footer(&pOnce);
}
}if(pOnce > *(int *)(NtCurrentTeb()->ThreadLocalStoragePointer[0] + 0x104) // tls中存储的全局 局部静态变量初始化计数器, 初始值为INT_MIN(0x80000000)
{ _Init_thread_header(&pOnce)
if ( pOnce == -1 )
{
res = b + a; // 初始化代码
_Init_thread_footer(&pOnce);
}
}// 代码所在的文件为thread_safe_statics.cppextern "C" void __cdecl _Init_thread_header(int* const pOnce) noexcept
{ _Init_thread_lock(); // 进入临界区
if (*pOnce == uninitialized) // uninitialized = 0
{
*pOnce = being_initialized; // being_initialized = -1
}
else
{
while (*pOnce == being_initialized)
{
// Timeout can be replaced with an infinite wait when XP support is
// removed or the XP-based condition variable is sophisticated enough
// to guarantee all waiting threads will be woken when the variable is
// signalled.
_Init_thread_wait(xp_timeout);
if (*pOnce == uninitialized)
{
*pOnce = being_initialized;
_Init_thread_unlock();
return;
}
}
_Init_thread_epoch = _Init_global_epoch; // _Init_global_epoch = INT_MIN
}
_Init_thread_unlock(); // 离开临界区
}// 代码所在的文件为thread_safe_statics.cppextern "C" void __cdecl _Init_thread_header(int* const pOnce) noexcept
{ _Init_thread_lock(); // 进入临界区
if (*pOnce == uninitialized) // uninitialized = 0
{
*pOnce = being_initialized; // being_initialized = -1
}
else
{
while (*pOnce == being_initialized)
{
// Timeout can be replaced with an infinite wait when XP support is
// removed or the XP-based condition variable is sophisticated enough
// to guarantee all waiting threads will be woken when the variable is
// signalled.
_Init_thread_wait(xp_timeout);
if (*pOnce == uninitialized)
{
*pOnce = being_initialized;
_Init_thread_unlock();
return;
}
}
_Init_thread_epoch = _Init_global_epoch; // _Init_global_epoch = INT_MIN
}
_Init_thread_unlock(); // 离开临界区
}// 代码所在的文件为thread_safe_statics.cppextern "C" void __cdecl _Init_thread_footer(int* const pOnce) noexcept
{ _Init_thread_lock();
++_Init_global_epoch;
*pOnce = _Init_global_epoch;
_Init_thread_epoch = _Init_global_epoch;
_Init_thread_unlock();
_Init_thread_notify();
}// 代码所在的文件为thread_safe_statics.cppextern "C" void __cdecl _Init_thread_footer(int* const pOnce) noexcept
{ _Init_thread_lock();
++_Init_global_epoch;
*pOnce = _Init_global_epoch;
_Init_thread_epoch = _Init_global_epoch;
_Init_thread_unlock();
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最后于 2023-12-9 22:04
被baolongshou编辑
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