Question

有经验的 c++程序员会说，可以定义一个 STL 类型的全局变量。 是的，确实如此

#include <stdio.h>
#include <string>
std::string s="a string";
int main()
{
printf ("%s\n", s.c_str());
};
MSVC：
$SG39512 DB ’a string’, 00H
$SG39519 DB ’%s’, 0aH, 00H
_main PROC
cmp DWORD PTR ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A
+20, 16 ; 00000010H
mov eax, OFFSET ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A
; s
cmovae eax, DWORD PTR ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?
$allocator@D@2@@std@@A
push eax
push OFFSET $SG39519
call _printf
add esp, 8
xor eax, eax
ret 0
_main ENDP
??__Es@@YAXXZ PROC ; ‘dynamic initializer for ’s’’, COMDAT
push 8
push OFFSET $SG39512
mov ecx, OFFSET ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A
; s
call ?assign@?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?
$allocator@D@2@@std@@QAEAAV12@PBDI@Z ; std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::
allocator<char> >::assign
push OFFSET ??__Fs@@YAXXZ ; ‘dynamic atexit destructor for ’s’’
call _atexit
pop ecx
ret 0
??__Es@@YAXXZ ENDP ; ‘dynamic initializer for ’s’’
??__Fs@@YAXXZ PROC ; ‘dynamic atexit destructor for ’s’’,
COMDAT
push ecx
cmp DWORD PTR ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A
+20, 16 ; 00000010H
jb SHORT $LN23@dynamic
push esi
mov esi, DWORD PTR ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?
$allocator@D@2@@std@@A
lea ecx, DWORD PTR $T2[esp+8]
call ??0?$_Wrap_alloc@V?$allocator@D@std@@@std@@QAE@XZ ; std::_Wrap_alloc<std::
allocator<char> >::_Wrap_alloc<std::allocator<char> >
push OFFSET ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A ; s
lea ecx, DWORD PTR $T2[esp+12]
call ??$destroy@PAD@?$_Wrap_alloc@V?$allocator@D@std@@@std@@QAEXPAPAD@Z ; std::
_Wrap_alloc<std::allocator<char> >::destroy<char *>
lea ecx, DWORD PTR $T1[esp+8]
call ??0?$_Wrap_alloc@V?$allocator@D@std@@@std@@QAE@XZ ; std::_Wrap_alloc<std::
allocator<char> >::_Wrap_alloc<std::allocator<char> >
push esi
call ??3@YAXPAX@Z ; operator delete
add esp, 4
pop esi
$LN23@dynamic:
mov DWORD PTR ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A
+20, 15 ; 0000000fH
mov DWORD PTR ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A
+16, 0
mov BYTE PTR ?s@@3V?$basic_string@DU?$char_traits@D@std@@V?$allocator@D@2@@std@@A, 0
pop ecx
ret 0
??__Fs@@YAXXZ ENDP ; ‘dynamic atexit destructor for ’s’’

实际上，main 函数之前，CRT 中将调用一个特殊的函数调用所有全局变量的构造函数。除此之外，CRT 中还将通过 atexit() 注册另一个函数，该函数中将调用全局变量的析构函数。 GCC 生成的代码如下：

main:
push ebp
mov ebp, esp
and esp, -16
sub esp, 16
mov eax, DWORD PTR s
mov DWORD PTR [esp], eax
call puts
xor eax, eax
leave
ret
.LC0:
.string "a string"
_GLOBAL__sub_I_s:
sub esp, 44
lea eax, [esp+31]
mov DWORD PTR [esp+8], eax
mov DWORD PTR [esp+4], OFFSET FLAT:.LC0
mov DWORD PTR [esp], OFFSET FLAT:s
call _ZNSsC1EPKcRKSaIcE
mov DWORD PTR [esp+8], OFFSET FLAT:__dso_handle
mov DWORD PTR [esp+4], OFFSET FLAT:s
mov DWORD PTR [esp], OFFSET FLAT:_ZNSsD1Ev
call __cxa_atexit
add esp, 44
ret
.LFE645:
.size _GLOBAL__sub_I_s, .-_GLOBAL__sub_I_s
.section .init_array,"aw"
.align 4
.long _GLOBAL__sub_I_s
.globl s
.bss
.align 4
.type s, @object
.size s, 4
s:
.zero 4
.hidden __dso_handle

GCC 并没有创建单独的函数来玩全局变量的析构，而是依次将全局变量的析构函数传递给 atexit() 函数

std::list

std::list 是标准的双向链表，每一个元素包含两个指针，分别前一个和后一个元素。 这意味着每个元素的的内存空间大小要相应的扩大 2 个字。（在 32 位环境下为 8 字节，64 位环境下为 16 字节） std::list 也是一个循环链表，也就是说最后一个元素包含一个指向第一个元素的指针，反之亦然。 C++ STL 只是为你希望做为链表使用的结构体增加前向和后向指针。 下面我们构造一个包含两个简单变量的结构体，将其存储在链表中。 虽然 C++标准中并没有规定如何实现 list，但是 MSVC 和 GCC 的实现比较相似，因此下面仅通过一段源代码来展示。

#include <stdio.h>
#include <list>
#include <iostream>
struct a
{
int x;
int y;
};
struct List_node
{
struct List_node* _Next;
struct List_node* _Prev;
int x;
int y;
};
void dump_List_node (struct List_node *n)
{
printf ("ptr=0x%p _Next=0x%p _Prev=0x%p x=%d y=%d\n",
n, n->_Next, n->_Prev, n->x, n->y);
};
void dump_List_vals (struct List_node* n)
{
struct List_node* current=n;
for (;;)
{
dump_List_node (current);
current=current->_Next;
if (current==n) // end
break;
};
};
void dump_List_val (unsigned int *a)
{
#ifdef _MSC_VER
// GCC implementation doesn’t have "size" field
printf ("_Myhead=0x%p, _Mysize=%d\n", a[0], a[1]);
#endif
dump_List_vals ((struct List_node*)a[0]);
};
int main()
{
std::list<struct a> l;
printf ("* empty list:\n");
dump_List_val((unsigned int*)(void*)&l);
struct a t1;
t1.x=1;
t1.y=2;
l.push_front (t1);
t1.x=3;
t1.y=4;
l.push_front (t1);
t1.x=5;
t1.y=6;
l.push_back (t1);
printf ("* 3-elements list:\n");
dump_List_val((unsigned int*)(void*)&l);
std::list<struct a>::iterator tmp;
printf ("node at .begin:\n");
tmp=l.begin();
dump_List_node ((struct List_node *)*(void**)&tmp);
printf ("node at .end:\n");
tmp=l.end();
dump_List_node ((struct List_node *)*(void**)&tmp);
printf ("* let’s count from the begin:\n");
std::list<struct a>::iterator it=l.begin();
printf ("1st element: %d %d\n", (*it).x, (*it).y);
it++;
printf ("2nd element: %d %d\n", (*it).x, (*it).y);
it++;
printf ("3rd element: %d %d\n", (*it).x, (*it).y);
it++;
printf ("element at .end(): %d %d\n", (*it).x, (*it).y);
printf ("* let’s count from the end:\n");
std::list<struct a>::iterator it2=l.end();
printf ("element at .end(): %d %d\n", (*it2).x, (*it2).y);
it2--;
printf ("3rd element: %d %d\n", (*it2).x, (*it2).y);
it2--;
printf ("2nd element: %d %d\n", (*it2).x, (*it2).y);
it2--;
printf ("1st element: %d %d\n", (*it2).x, (*it2).y);
printf ("removing last element...\n");
l.pop_back();
dump_List_val((unsigned int*)(void*)&l);
};

34.2.1 GCC

我们以 GCC 为例开始，当我们运行这个例子，可以看到屏幕上打印出了大量输出，我们依次对其进行分析。

* empty list:
ptr=0x0028fe90 _Next=0x0028fe90 _Prev=0x0028fe90 x=3 y=0

我们可以看到一个空的链表，它由一个元素组成，其中 x 和 y 中包含有垃圾数据。前向和后向指针均指向自身。

这一时刻的.begin 和.end 迭代器两者相等。 当我们压入 3 个元素之后，链表的内部状态将变为：

* 3-elements list:
ptr=0x000349a0 _Next=0x00034988 _Prev=0x0028fe90 x=3 y=4
ptr=0x00034988 _Next=0x00034b40 _Prev=0x000349a0 x=1 y=2
ptr=0x00034b40 _Next=0x0028fe90 _Prev=0x00034988 x=5 y=6
ptr=0x0028fe90 _Next=0x000349a0 _Prev=0x00034b40 x=5 y=6

最后一个元素依然位于 0x28fe90，只有当链表被销毁的时候它才会移动。x 和 y 中依然包含有垃圾数据。虽然和链表中的最后一个元素中的 x 和 y 拥有相同的值，但这并不能说明这些值有意义。 下面这幅图说明了链表中的三个元素如何在内存中存储

变量 l 始终指向第一个链表节点 .begin() 和.end() 迭代器不指向任何东西，也并不出现在内存中，但是当适当的方法被调用的时候将返回指向这些节点的指针。（这句话是说.begin() 和.end() 并不是变量，而是函数，该函数返回迭代器。） 链表中包含一个垃圾元素在链表的实现中是非常流行的方式，如果不包含它，很多操作都将变得复杂和低效。 迭代器实质上是一个指向链表节点的指针。list.begin() 和 list.end() 仅仅返回迭代器。

node at .begin:
ptr=0x000349a0 _Next=0x00034988 _Prev=0x0028fe90 x=3 y=4
node at .end:
ptr=0x0028fe90 _Next=0x000349a0 _Prev=0x00034b40 x=5 y=6

实际上链表是循环的非常有用：包含一个指向第一个链表元素的指针，类似 l 变量，这将有利于快速获取指向最后一个元素的指针，而不必遍历整个链表。这样也有利于快速的在链表尾部插入元素。 --和++操作符只是将当前的迭代器的值设置为 current_node->prev、current_node->next。反向迭代器只是以相反的方向做相似的工作。

迭代器的*操作符返回指向节点结构指针，也就是用户结构的起始位置，如，指向第一个结构体元素 x 的指针。 List 的插入和删除比较简单，只需要分配新节点同时给指针设置有效值。 这就是元素被删除后，迭代器会失效的原因，它依然指向已经被释放的节点。当然，迭代器指向的被释放的节点的数据是不能再使用的。

GCC 的实现中没有存储链表的大小，由于没有其他方式获取这些信息，.size() 方法需要遍历整个链表统计元素个数，因此执行速度较慢。这一操作的时间复杂度为 O(n)，即消耗时间多少和链表中元素个数成正比。

Listing34.7: GCC 4.8.1 -O3 -fno-inline-small-functions

main proc near
push ebp
mov ebp, esp
push esi
push ebx
and esp, 0FFFFFFF0h
sub esp, 20h
lea ebx, [esp+10h]
mov dword ptr [esp], offset s ; "* empty list:"
mov [esp+10h], ebx
mov [esp+14h], ebx
call puts
mov [esp], ebx
call _Z13dump_List_valPj ; dump_List_val(uint *)
lea esi, [esp+18h]
mov [esp+4], esi
mov [esp], ebx
mov dword ptr [esp+18h], 1 ; X for new element
mov dword ptr [esp+1Ch], 2 ; Y for new element
call _ZNSt4listI1aSaIS0_EE10push_frontERKS0_ ; std::list<a,std::allocator<a
>>::push_front(a const&)
mov [esp+4], esi
mov [esp], ebx
mov dword ptr [esp+18h], 3 ; X for new element
mov dword ptr [esp+1Ch], 4 ; Y for new element
call _ZNSt4listI1aSaIS0_EE10push_frontERKS0_ ; std::list<a,std::allocator<a
>>::push_front(a const&)
mov dword ptr [esp], 10h
mov dword ptr [esp+18h], 5 ; X for new element
mov dword ptr [esp+1Ch], 6 ; Y for new element
call _Znwj ; operator new(uint)
cmp eax, 0FFFFFFF8h
jz short loc_80002A6
mov ecx, [esp+1Ch]
mov edx, [esp+18h]
mov [eax+0Ch], ecx
mov [eax+8], edx
loc_80002A6: ; CODE XREF: main+86
mov [esp+4], ebx
mov [esp], eax
call _ZNSt8__detail15_List_node_base7_M_hookEPS0_ ; std::__detail::
_List_node_base::_M_hook(std::__detail::_List_node_base*)
mov dword ptr [esp], offset a3ElementsList ; "* 3-elements list:"
call puts
mov [esp], ebx
call _Z13dump_List_valPj ; dump_List_val(uint *)
mov dword ptr [esp], offset aNodeAt_begin ; "node at .begin:"
call puts
mov eax, [esp+10h]
mov [esp], eax
call _Z14dump_List_nodeP9List_node ; dump_List_node(List_node *)
mov dword ptr [esp], offset aNodeAt_end ; "node at .end:"
call puts
mov [esp], ebx
call _Z14dump_List_nodeP9List_node ; dump_List_node(List_node *)
mov dword ptr [esp], offset aLetSCountFromT ; "* let’s count from the begin:"
call puts
mov esi, [esp+10h]
mov eax, [esi+0Ch]
mov [esp+0Ch], eax
mov eax, [esi+8]
mov dword ptr [esp+4], offset a1stElementDD ; "1st element: %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov esi, [esi] ; operator++: get ->next pointer
mov eax, [esi+0Ch]
mov [esp+0Ch], eax
mov eax, [esi+8]
mov dword ptr [esp+4], offset a2ndElementDD ; "2nd element: %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov esi, [esi] ; operator++: get ->next pointer
mov eax, [esi+0Ch]
mov [esp+0Ch], eax
mov eax, [esi+8]
mov dword ptr [esp+4], offset a3rdElementDD ; "3rd element: %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov eax, [esi] ; operator++: get ->next pointer
mov edx, [eax+0Ch]
mov [esp+0Ch], edx
mov eax, [eax+8]
mov dword ptr [esp+4], offset aElementAt_endD ; "element at .end(): %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov dword ptr [esp], offset aLetSCountFro_0 ; "* let’s count from the end:"
call puts
mov eax, [esp+1Ch]
mov dword ptr [esp+4], offset aElementAt_endD ; "element at .end(): %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+0Ch], eax
mov eax, [esp+18h]
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov esi, [esp+14h]
mov eax, [esi+0Ch]
mov [esp+0Ch], eax
mov eax, [esi+8]
mov dword ptr [esp+4], offset a3rdElementDD ; "3rd element: %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov esi, [esi+4] ; operator--: get ->prev pointer
mov eax, [esi+0Ch]
mov [esp+0Ch], eax
mov eax, [esi+8]
mov dword ptr [esp+4], offset a2ndElementDD ; "2nd element: %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov eax, [esi+4] ; operator--: get ->prev pointer
mov edx, [eax+0Ch]
mov [esp+0Ch], edx
mov eax, [eax+8]
mov dword ptr [esp+4], offset a1stElementDD ; "1st element: %d %d\n"
mov dword ptr [esp], 1
mov [esp+8], eax
call __printf_chk
mov dword ptr [esp], offset aRemovingLastEl ; "removing last element..."
call puts
mov esi, [esp+14h]
mov [esp], esi
call _ZNSt8__detail15_List_node_base9_M_unhookEv ; std::__detail::
_List_node_base::_M_unhook(void)
mov [esp], esi ; void *
call _ZdlPv ; operator delete(void *)
mov [esp], ebx
call _Z13dump_List_valPj ; dump_List_val(uint *)
mov [esp], ebx
call _ZNSt10_List_baseI1aSaIS0_EE8_M_clearEv ; std::_List_base<a,std::
allocator<a>>::_M_clear(void)
lea esp, [ebp-8]
xor eax, eax
pop ebx
pop esi
pop ebp
retn
main endp

Listing 34.8: 所有输出

* empty list:
ptr=0x0028fe90 _Next=0x0028fe90 _Prev=0x0028fe90 x=3 y=0
* 3-elements list:
ptr=0x000349a0 _Next=0x00034988 _Prev=0x0028fe90 x=3 y=4
ptr=0x00034988 _Next=0x00034b40 _Prev=0x000349a0 x=1 y=2
ptr=0x00034b40 _Next=0x0028fe90 _Prev=0x00034988 x=5 y=6
ptr=0x0028fe90 _Next=0x000349a0 _Prev=0x00034b40 x=5 y=6
node at .begin:
ptr=0x000349a0 _Next=0x00034988 _Prev=0x0028fe90 x=3 y=4
node at .end:
ptr=0x0028fe90 _Next=0x000349a0 _Prev=0x00034b40 x=5 y=6
* let’s count from the begin:
1st element: 3 4
2nd element: 1 2
3rd element: 5 6
element at .end(): 5 6
* let’s count from the end:
element at .end(): 5 6
3rd element: 5 6
2nd element: 1 2
1st element: 3 4
removing last element...
ptr=0x000349a0 _Next=0x00034988 _Prev=0x0028fe90 x=3 y=4
ptr=0x00034988 _Next=0x0028fe90 _Prev=0x000349a0 x=1 y=2
ptr=0x0028fe90 _Next=0x000349a0 _Prev=0x00034988 x=5 y=6