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條款04:確定物件使用前已被初始化

目錄

  • 1. 總結
  • 2. 建構函式體 VS 初始化列表
  • 3. 物件的初始化順序問題

1. 總結

  • 無論是在初始化列表中,還是在建構函式體內,請為內建型別物件進行手工初始化,因為C++不保證初始化它們
  • 最好使用初始化列表進行初始化,而不要在建構函式體中使用賦值;初始化列表最好列出所有的成員變數,其排列順序應該和它們在class中的宣告順序相同
  • 為了避免"不同原始檔內定義的non-local static物件在編譯時的初始化順序"問題,請以local static物件替換non-local static物件

2. 建構函式體 VS 初始化列表

在C++中,關於物件的初始化動作何時一定發生,何時不一定發生這個問題,最佳的處理辦法就是:永遠在使用物件之前先將它初始化。

  • 對於內建型別物件,由於C++不保證是否初始化以及何時初始化它們,因此無論是在初始化列表中,還是在建構函式體內,你必須手工完成這項工作
  • 對於自定義型別物件,初始化工作由建構函式進行,規則也很簡單:確保每一個建構函式都將物件的每一個成員初始化

關於在建構函式中初始化,重要的一點是不要混淆了賦值和初始化。

class PhoneNumber { ... };
class ABEntry
{
private:
    std::string theName;
    std::string theAddress;
    std::list<PhoneNumber> thePhones;
    int numTimesConsulted;
public:
    ABEntry{const std::string &name, const std::string &address,
            const std::list<PhoneNumber> &phones};
};

/* 正確可行但不是最好的方法:在建構函式體內對成員變數進行賦值 */
ABEntry::ABEntry{const std::string &name, const std::string &address,
                 const std::list<PhoneNumber> &phones}
{
    theName = name;         //theName、theAddress、thePhones都是賦值,
    theAddress = address;   //而不是初始化。
    thePhones = phones;
    numTimesConsulted = 0;
}

/* 較好的方法:使用初始化列表對成員變數進行初始化 */
ABEntry::ABEntry{const std::string &name, const std::string &address,
                 const std::list<PhoneNumber> &phones}
        :theName(name),
         theAddress(address),
         thePhones(phones),
         numTimesConsulted(0)  //為了一致性,內建型別物件初始化最好也在初始化列表中進行
{

}
  • 第一種方法基於賦值,首先呼叫default建構函式對theName、theAddress和thePhones進行初始化,然後進入建構函式,再分別對它們進行賦值。
  • 第二種方法基於初始化列表,在初始化列表中使用3個引數分別對theName、theAddress和thePhones進行copy構造初始化。

對大多數型別而言,比起先呼叫default建構函式然後再呼叫operator =,單隻呼叫一次copy建構函式是比較高效的,有時甚至高效得多。
而對於內建型別物件如numTimesConsulted,其初始化和賦值的成本是一樣的,但為了一致性最好也通過初始化列表來初始化。

如果成員變數是const或reference,那麼不管是內建型別還是自定義型別,都一定需要初值,不能被賦值,都只能通過初始化列表進行初始化(見條款5)。
為避免需要記住何時必須使用初始化列表,何時不需要,最簡單的做法就是:

  • 總是使用初始化列表
  • 總是在初始化列表中列出所有成員變數
  • 初始化列表中成員變數的排列順序應該和它們在class中的宣告順序相同

但是,一些class有多個建構函式,而且有許多成員變數和/或base class,如果每個建構函式都使用初始化列表,那麼就會造成大量的程式碼重複。
這種情況下,可以合理地對"賦值和初始化開銷一樣"的成員變數改用賦值操作,並將這些賦值操作封裝到一個private init函式中,供所有建構函式呼叫。
這種做法在"成員變數的初始值來自於檔案或資料庫讀入"時特別有用。然而,比起經由賦值操作完成的"偽初始化",通過初始化列表完成的"真正初始化"通常更加可取。

3. 物件的初始化順序問題

C++在單個物件建立時有著十分固定的成員初始化順序,口訣就是"先父母,再客人,後自己"。

  • 先呼叫父類的建構函式
  • 再呼叫成員變數的建構函式,呼叫順序與宣告順序相同
  • 最後呼叫類自身的建構函式

如果已經在初始化列表中對base class和所有成員變數進行了初始化,那就只剩下一個問題——"不同原始檔內定義的non-local static物件"的初始化問題。
先來明確下概念,函式內定義的static物件稱為local static物件,其他地方定義的static物件稱為non-local static物件。
現在,我們關心的問題涉及至少兩個原始檔,每個原始檔中都至少含有一個non-local static物件,因此可能發生如下問題。

  • 某個原始檔中的non-local static物件初始化需要使用另一個原始檔中的non-local static物件
  • 但另一個原始檔內的non-local static物件可能尚未被初始化

產生該問題的原因是C++對不同原始檔中的non-local static物件初始化順序沒有明確定義,幸運的是通過一個小小的設計便可完全消除該問題,唯一需要做的是:

  • 將每個non-local static物件放到自己的專屬函式中,這些函式返回一個reference指向它所含的物件
  • 然後使用者呼叫這些專屬函式,而不直接使用這些物件

該方法實際上是用local static物件替換了non-local static物件,這也是Singleton模式的一個常見實現手法。該方法之所以管用,是因為:

  • C++保證函式內的local static物件會在該第一次呼叫該函式時被初始化
  • 如果你從未呼叫過這些函式,就不會引發構造和析構成本

可以看到,這種結構下的函式體往往十分簡單固定:第一行定義並初始化一個local static物件,第二行返回一個引用指向它。
這使得它們非常適合實現為inline函式,尤其是需要被頻繁呼叫的場合;但從另一個角度看,內含static物件也使得它們成為執行緒不安全函式。

class FileSystem { ... };

//static FileSystem tfs;  //FileSystem.cpp中定義的non-local static物件

//tfs的專屬函式,用來替換tfs物件
FileSystem &tfs()
{
    static FileSystem fs;  //定義並初始化一個local static物件fs
    return fs;             //返回一個reference指向上述物件
}
class Directory { ... };

Directory::Directory()
{
    //...
    std::size_t disks = tfs().numDisks();
    //...
}

//static Directory tempDir;  //Directory.cpp中定義的non-local static物件,tempDir的初始化依賴於FileSystem.cpp中的tfs物件先初始化完成

//tempDir的專屬函式,用來替換tempDir物件
Directory &tempDir()
{
    static Directory td;  //定義並初始化一個local static物件td
    return td;            //返回一個reference指向上述物件
}