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C++局部静态变量在什么时候分配内存和初始化？

class A
{
    public:
        A() 
        {
            sleep(10); // 故意让初始化过程放慢
            m_num = 1;
        };
        ~A() {};
        
        void print(int index) { printf("[%d] - %d", index, m_num); }
        
    private:
        int m_num;
}

void func(int index)
{
    static A a; // 静态局部变量，默认构造
    
    // A b;
    //static A a = b; // 静态局部变量，拷贝构造
    a.print(index);
}

int main()
{
    // 三个线程同时执行
    boost::thread trd1(boost::bind(&func, 1));
    boost::thread trd2(boost::bind(&func, 2));
    boost::thread trd3(boost::bind(&func, 3));
    
    sleep(1000);
    return 0;
}

请问，这个类对象局部变量是在什么时候分配内存和初始化的？拷贝构造的时候呢？
网上都说是在程序主函数执行前的静态初始化过程中分配内存并初始化的，但实际测试，当有3个线程同时执行func操作时，会有m_num = 0的输出，证明至少A对象的初始化过程没有完成。

如果是在主函数执行前的静态初始化过程中分配内存和初始化，那么在func中的定义过程貌似只是个赋值的过程？
或者说在静态初始化过程中分配内存，在第一次定义的地方初始化？这样多线程的情况下就会有个竞争初始化的问题？

突然想到了这个问题，求解答，谢谢。

伊谢尔伦伊谢尔伦2803日前869

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  • 怪我咯

    怪我咯2017-04-17 13:15:52

    谢谢上面两位同学的回答，结合自己的查询和测试，整理了下最终的结果，在这里贴下，如果发现有不对的地方，还请各位指正，谢谢。

    静态变量的内存分配和初始化

    对于C语言的全局和静态变量，不管是否被初始化，其内存空间都是全局的；如果初始化，那么初始化发生在任何代码执行之前，属于编译期初始化。由于内置变量无须资源释放操作，仅需要回收内存空间，因此程序结束后全局内存空间被一起回收，不存在变量依赖问题，没有任何代码会再被执行！

    C++引入了对象，这给全局变量的管理带领新的麻烦。C++的对象必须有构造函数生成，并最终执行析构操作。由于构造和析构并非分配内存那么简单，可以说相当复杂，因此何时执行全局或静态对象（C++）的构造和析构呢？这需要执行相关代码，无法在编译期完成，因此C++标准规定：全局或静态对象当且仅当对象首次用到时才进行构造，并通过atexit()来管理对象的生命期，在程序结束之后（如调用exit，main），按FILO顺序调用相应的析构操作！

    总结：

    全局变量、文件域的静态变量和类的静态成员变量在main执行之前的静态初始化过程中分配内存并初始化；局部静态变量（一般为函数内的静态变量）在第一次使用时分配内存并初始化。这里的变量包含内置数据类型和自定义类型的对象。

    静态变量初始化的线程安全性说明

    非局部静态变量一般在main执行之前的静态初始化过程中分配内存并初始化，可以认为是线程安全的；

    局部静态变量在编译时，编译器的实现一般是在初始化语句之前设置一个局部静态变量的标识来判断是否已经初始化，运行的时候每次进行判断，如果需要初始化则执行初始化操作，否则不执行。这个过程本身不是线程安全的。

    C++11标准针规定了局部静态变量初始化需要保证线程安全，具体说明如下：
    If control enters the declaration concurrently while the variable is being initialized, the concurrent execution shall wait for completion of the initialization

    新的编译器大多对C++11的标准支持，因此也保证了这一点，但是C++03标准之前并无此说明，所以很多旧版本的编译器并不能完全支持。

    注：VS2008 测试多线程的条件下虽然只有一个线程执行一次初始化，但非初始化的线程并不会等待初始化结束，而是立即返回未正确初始化的静态对象。

    针对局部静态变量初始化的线程安全性，g++编译器的实现相当于使用了一个全局锁来控制一个局部静态变量的标识（标识用来判定是否已经初始化）。详情参考：http://www.cnblogs.com/xuxm2007/p/4652944.html

    使用相关：

    以前的标准都没有规定局部静态变量的初始化在并发模式下是否安全，很多旧版本的编译器并没有处理它的并发安全问题。因此在不支持C++11标准的编译环境下，多线程程序最好不要使用需要明显初始化的局部静态变量（对象），如果需要使用（比如单例模式中），则可以考虑使用一个全局锁或静态成员变量锁，最好不要使用局部静态变量锁，因为其本身存在一个构造的问题，多个线程获取实例的时候，可能会出现一个线程在进行锁对象构造，另一个线程则避开了构造，在锁对象还没有完全构造完成的情况下，就lock了，这个时候的行为能不能成功锁定取决于锁的实现了，虽然一般的实现不会出现问题但终归不是很严谨。

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  • 天蓬老师

    天蓬老师2017-04-17 13:15:52

    分配内存在程序启动时。
    构造函数调用在第一次函数被调用时。
    c++98 不规定local static变量的初始化的线程安全性。事实上编译器是创建了一个隐藏的变量 标识 static变量有没有初始化。在每次调用函数的时候检查隐藏变量有否改变。
    c++11 规定了static变量的初始化的线程安全性。
    请参考 http://stackoverflow.com/questions/246564/what-is-the-lifetime-of-a-static-variable-in-a-c-function

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  • 天蓬老师

    天蓬老师2017-04-17 13:15:52

    你这个是函数内静态变量，初始化在第一次执行函数的时候初始化。如果放到func外面，就在main函数执行之前初始化。你这个为啥会出现0，因为初始化只初始化一次，而你相当于在3个线程里面调用只初始化一次的方法，这个是线程不安全的，初始化的时候有个标记，标记A已经初始化，如果初始化之后就不会再调用初始化。而你用了sleep，所以会有0出现。即便不sleep，也有可能出现0的情况，因为线程不安全。3个线程都执行这样的逻辑：
    a是否已经初始化？
    没有初始化就设置初始化标记调用构造函数初始化

    有可能3个线程都调用初始化。也有可能只有1个初始化，其他线程执行的时候，虽然看到初始化标记，但是构造函数并没完成，尤其是你sleep的时候，更加可能发生。

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