寻找 C++ 静态初始化顺序问题

Question

我们遇到了一些静态初始化顺序惨败，我正在寻找方法来梳理大量代码以找到可能发生的情况。 关于如何有效地做到这一点有什么建议吗？

编辑：我得到了一些关于如何解决静态初始化顺序问题的好答案，但这并不是我的问题。 我想知道如何查找存在此问题的对象。 埃文的答案似乎是迄今为止在这方面最好的答案； 我不认为我们可以使用 valgrind，但我们可能有可以执行类似功能的内存分析工具。 只有在给定构建的初始化顺序错误的情况下才会发现问题，并且顺序可能会随着每个构建而改变。 也许有一个静态分析工具可以捕捉到这一点。 我们的平台是在 AIX 上运行的 IBM XLC/C++ 编译器。

Answer 1

解决初始化的顺序：

首先，这只是一个临时的解决方法，因为你有一些全局变量，你试图摆脱它们，但还没有时间（你最终会摆脱它们不是吗？ :-)

class A
{
    public:
        // Get the global instance abc
        static A& getInstance_abc()  // return a reference
        {
            static A instance_abc;
            return instance_abc;
        }
};

这将保证它在首次使用时初始化并在应用程序终止时销毁。

多线程问题：

C++11确实保证这是线程安全的：

§6.7 [stmt.dcl] p4
如果在变量初始化时控制同时进入声明，则并发执行将等待初始化完成。

然而，C++03 并没有正式保证静态函数对象的构造是线程安全的。 因此从技术上讲，getInstance_XXX() 方法必须用临界区来保护。 好的一面是，gcc 有一个显式补丁作为编译器的一部分，保证每个静态函数对象即使在存在线程的情况下也只会被初始化一次。

请注意：请勿使用双重检查锁定模式来尝试避免锁定的成本。 这在 C++03 中不起作用。

创建问题：

在创建时，不存在任何问题，因为我们保证它是在创建之后才可以使用的。

销毁问题：

在对象被销毁后访问该对象存在潜在的问题。 仅当您从另一个全局变量的析构函数访问该对象时才会发生这种情况（通过全局，我指的是任何非局部静态变量）。

解决方案是确保强制执行销毁顺序。
请记住，破坏的顺序与构造的顺序完全相反。 因此，如果您在析构函数中访问该对象，则必须保证该对象没有被销毁。 为此，您必须保证在构造调用对象之前完全构造对象。

class B
{
    public:
        static B& getInstance_Bglob;
        {
            static B instance_Bglob;
            return instance_Bglob;;
        }

        ~B()
        {
             A::getInstance_abc().doSomthing();
             // The object abc is accessed from the destructor.
             // Potential problem.
             // You must guarantee that abc is destroyed after this object.
             // To guarantee this you must make sure it is constructed first.
             // To do this just access the object from the constructor.
        }

        B()
        {
            A::getInstance_abc();
            // abc is now fully constructed.
            // This means it was constructed before this object.
            // This means it will be destroyed after this object.
            // This means it is safe to use from the destructor.
        }
};

Answer 2

我只是写了一些代码来解决这个问题。 我们有一个大小合适的代码库（1000 多个文件），在 Windows/VC++ 2005 上运行良好，但在 Solaris/gcc 上启动时崩溃。
我编写了以下 .h 文件：

#ifndef FIASCO_H
#define FIASCO_H

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// [WS 2010-07-30] Detect the infamous "Static initialization order fiasco"
// email warrenstevens --> [initials]@[firstnamelastname].com 
// read --> http://www.parashift.com/c++-faq-lite/ctors.html#faq-10.12 if you haven't suffered
// To enable this feature --> define E-N-A-B-L-E-_-F-I-A-S-C-O-_-F-I-N-D-E-R, rebuild, and run
#define ENABLE_FIASCO_FINDER
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#ifdef ENABLE_FIASCO_FINDER

#include <iostream>
#include <fstream>

inline bool WriteFiasco(const std::string& fileName)
{
    static int counter = 0;
    ++counter;

    std::ofstream file;
    file.open("FiascoFinder.txt", std::ios::out | std::ios::app);
    file << "Starting to initialize file - number: [" << counter << "] filename: [" << fileName.c_str() << "]" << std::endl;
    file.flush();
    file.close();
    return true;
}

// [WS 2010-07-30] If you get a name collision on the following line, your usage is likely incorrect
#define FIASCO_FINDER static const bool g_psuedoUniqueName = WriteFiasco(__FILE__);

#else // ENABLE_FIASCO_FINDER
// do nothing
#define FIASCO_FINDER

#endif // ENABLE_FIASCO_FINDER

#endif //FIASCO_H

在解决方案中的每个 .cpp 文件中，我添加了以下内容：

#include "PreCompiledHeader.h" // (which #include's the above file)
FIASCO_FINDER
#include "RegularIncludeOne.h"
#include "RegularIncludeTwo.h"

当您运行应用程序时，您将获得如下输出文件：

Starting to initialize file - number: [1] filename: [p:\\OneFile.cpp]
Starting to initialize file - number: [2] filename: [p:\\SecondFile.cpp]
Starting to initialize file - number: [3] filename: [p:\\ThirdFile.cpp]

如果您遇到崩溃，罪魁祸首应该在列出的最后一个 .cpp 文件中。 至少，这将为您提供一个设置断点的好地方，因为此代码应该是要执行的代码的绝对第一个（之后您可以单步执行代码并查看所有正在初始化的全局变量）。

注意：

• 将“FIASCO_FINDER”宏尽可能靠近文件顶部放置非常重要。 如果您将其放在其他一些 #include 之下，则在识别您所在的文件之前，您将面临崩溃的风险。

• 如果您使用的是 Visual Studio 和预编译标头，请将此额外的宏行添加到 <强>所有您的.cpp文件都可以使用“查找和替换”对话框快速完成，用相同的文本加上FIASCO_FINDER行替换现有的#include“precompiledheader.h”（如果您选中“常规”表达式，您可以使用“\n”插入多行替换文本）

Answer 3

根据您的编译器，您可以在构造函数初始化代码处放置断点。 在 Visual C++ 中，这是 _initterm 函数，它被赋予要调用的函数列表的开始和结束指针。

然后进入每个函数以获取文件和函数名称（假设您已使用调试信息进行编译）。 获得名称后，退出函数（返回到 _initterm）并继续，直到 _initterm 退出。

这为您提供了所有静态初始值设定项，而不仅仅是代码中的静态初始值设定项 - 这是获取详尽列表的最简单方法。 您可以过滤掉您无法控制的内容（例如第三方库中的内容）。

该理论适用于其他编译器，但函数名称和调试器的功能可能会发生变化。

Answer 4

也许使用 valgrind 来查找未初始化内存的使用情况。 解决“静态初始化顺序失败”的最好解决方案是使用一个静态函数，它返回一个对象实例，如下所示：

class A {
public:
    static X &getStatic() { static X my_static; return my_static; }
};

这种访问静态对象的方式是通过调用 getStatic，这将保证它在第一次使用时被初始化。

如果您需要担心取消初始化的顺序，请返回一个新的对象而不是静态分配的对象。

编辑：删除了多余的静态对象，我不知道为什么，但我在原始示例中混合并匹配了两种具有静态对象的方法。

Answer 5

有些代码本质上是“初始化”由编译器生成的 C++。 找到此代码/当时的调用堆栈的一个简单方法是创建一个静态对象，其中包含在构造函数中取消引用 NULL 的内容 - 在调试器中中断并进行一些探索。 MSVC 编译器设置一个函数指针表，该表被迭代以进行静态初始化。 您应该能够访问该表并确定程序中发生的所有静态初始化。

Answer 6

我们遇到了一些问题
静态初始化顺序惨败，
我正在寻找梳理的方法
通过一大堆代码才找到
可能发生的情况。 任何建议
如何有效地做到这一点？

这不是一个小问题，但如果您有一个易于解析的代码中间格式表示，那么至少可以通过相当简单的步骤来完成。

1）找到所有具有非平凡构造函数的全局变量并将它们放入列表中。

2) 对于每个非平凡构造的对象，生成由其构造函数调用的整个潜在函数树。

3）遍历非平凡构造函数树，如果代码引用任何其他非平凡构造的全局变量（它们在第一步中生成的列表中非常方便），则您有一个潜在的早期静态初始化顺序问题。

4) 重复步骤2& 3，直到您用完步骤 1 中生成的列表。

注意：如果您有单个类的多个全局变量，您可以通过每个对象类仅访问一次势函数树而不是每个全局实例一次来优化此功能。

Answer 7

将所有全局对象替换为全局函数，该函数返回对函数中声明为静态的对象的引用。 这不是线程安全的，因此如果您的应用程序是多线程的，您可能需要一些技巧，例如 pthread_once 或全局锁。 这将确保所有内容在使用之前都已初始化。

现在，要么你的程序可以工作（万岁！），要么因为你有循环依赖（需要重新设计）而陷入无限循环，或者你继续处理下一个错误。

Answer 8

您需要做的第一件事是列出所有具有重要构造函数的静态对象。

鉴于此，您要么需要一次插入它们，要么简单地将它们全部替换为单例模式对象。

单例模式受到了很多批评，但是懒惰的“按需”构造是解决现在和将来的大多数问题的相当简单的方法。

旧...

MyObject myObject

新...

MyObject &myObject()
{
  static MyObject myActualObject;
  return myActualObject;
}

当然，如果您的应用程序是多线程的，这可能会给您带来比一开始更多的问题...

Answer 9

Gimpel Software (www.gimpel.com) 声称他们的 PC-Lint/FlexeLint 静态分析工具可以检测到此类问题。

我对他们的工具有很好的经验，但对这个具体问题没有经验，所以我不能保证他们能提供多少帮助。

Answer 10

其中一些答案现在已经过时了。 对于像我这样来自搜索引擎的人来说：

在 Linux 和其他地方，可以通过 Google 的 AddressSanitizer。

AddressSanitizer 是 LLVM 的一部分，从版本 3.1 开始，
从版本 4.8 开始是 GCC 的一部分

您将执行类似以下操作的 GCC 的一部分：

$ g++ -fsanitize=address -g staticA.C staticB.C staticC.C -o static 
$ ASAN_OPTIONS=check_initialization_order=true:strict_init_order=true ./static 
=================================================================
==32208==ERROR: AddressSanitizer: initialization-order-fiasco on address ... at ...
    #0 0x400f96 in firstClass::getValue() staticC.C:13
    #1 0x400de1 in secondClass::secondClass() staticB.C:7
    ...

请参阅此处了解更多详细信息：
https://github.com/google/sanitizers/wiki/AddressSanitizerInitializationOrderFiasco

Answer 11

其他答案是正确的，我只是想补充一点，对象的 getter 应该在 .cpp 文件中实现，并且它不应该是静态的。 如果您在头文件中实现它，则该对象将在您调用它的每个库/框架中创建......

Answer 12

如果您的项目位于 Visual Studio 中（我已使用 VC++ Express 2005 和 Visual Studio 2008 Pro 尝试过此操作）：

1. 打开类视图（主菜单 -> 视图 -> 类视图）
2. 展开解决方案中的每个项目，然后单击关于“全局函数和变量”

这应该为您提供所有遭受失败的全局变量的不错的列表。

最后，更好的方法是尝试从项目中删除这些对象（有时说起来容易做起来难）。