全局變量在 main 函數(shù)前初始化，這個大家都知道，但是，全局變量的初始化方式卻是一個容易被忽視但又至關(guān)重要的細(xì)節(jié)，全局變量的初始化可以分為靜態(tài)初始化和動態(tài)初始化兩種方式。

一、 什么是全局變量初始化？

全局變量是在所有函數(shù)體之外聲明的變量。

初始化是指為變量賦予其初始值的過程，它們的內(nèi)存空間在程序啟動時就會被分配，并且它們的初始化過程發(fā)生在 main 函數(shù)執(zhí)行之前。

這個初始化過程可以分為兩個不同的階段：靜態(tài)初始化 （Static Initialization） 和 動態(tài)初始化 （Dynamic Initialization）。

這里需要知道的是： static 局部變量 、static 類成員變量 和全局變量它們都是具有靜態(tài)生命周期的變量！

二、 靜態(tài)初始化：編譯鏈接時的確定性

靜態(tài)初始化是全局變量初始化的第一個階段，它發(fā)生在程序加載之前，由編譯器和鏈接器在可執(zhí)行文件中預(yù)先安排。

這個階段的特點是：

(1) 初始化值必須常量表達式

靜態(tài)初始化的值必須是在編譯時就能完全確定的常量。這包括字面量（如 10， "hello"）、const 常量、枚舉值，以及由這些常量組成的算術(shù)表達式等。（C++11及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)中，常量初始化被明確定義為靜態(tài)初始化的一部分，用于優(yōu)化常量表達式的處理。）

(2) 零初始化：

如果全局變量（或靜態(tài)變量）沒有被顯式地初始化，編譯器會對其進行零初始化。這意味著整型變量會被初始化為 0，浮點型為 0.0，指針為 nullptr （或 NULL），布爾值為 false，聚合類型（如數(shù)組、結(jié)構(gòu)體）的每個成員都會被遞歸地零初始化。

(3) 實現(xiàn)方式：

 編譯器通常會將靜態(tài)初始化的值直接寫入可執(zhí)行文件的特定段（如 .data 段用于顯式初始化的非零值，.bss 段用于零初始化的值）。程序加載時，這些段的內(nèi)容會被直接映射到內(nèi)存中，無需執(zhí)行額外的代碼。

簡單來說，靜態(tài)初始化就像是在"設(shè)計圖紙"階段就已經(jīng)確定好的固定參數(shù)，直接"印"在了最終的產(chǎn)品上。

示例：

c++復(fù)制代碼
#include
int g_zero_initialized;           // 靜態(tài)初始化：零初始化為 0
int g_explicit_static = 10;     // 靜態(tài)初始化：用常量表達式 10 初始化
const char* g_message = "Hello";  // 靜態(tài)初始化：用字符串字面量（常量）初始化
const int g_const_val = 5 * 2;    // 靜態(tài)初始化：用常量表達式初始化

int main() {
    std::cout << "g_zero_initialized: " << g_zero_initialized << std::endl; // 輸出 0
    std::cout << "g_explicit_static: " << g_explicit_static << std::endl;  // 輸出 10
    std::cout << "g_message: " << g_message << std::endl;            // 輸出 Hello
    std::cout << "g_const_val: " << g_const_val << std::endl;        // 輸出 10return 0;
}

靜態(tài)初始化的局限性在于它只能處理常量表達式（例如示例當(dāng)中的 5 * 2）。如果初始值依賴于運行時計算（如函數(shù)調(diào)用或隨機數(shù)生成），就無法使用靜態(tài)初始化，轉(zhuǎn)而需要動態(tài)初始化。

三、 動態(tài)初始化:程序啟動時的靈活性

靜態(tài)初始化只能處理常量表達式，但有時我們需要用更復(fù)雜的方式來初始化全局變量，比如調(diào)用函數(shù)、使用非 const 全局變量的值，或者初始化一個類的全局對象并調(diào)用其構(gòu)造函數(shù)。這時，動態(tài)初始化 就派上用場了。

動態(tài)初始化發(fā)生在靜態(tài)初始化完成之后，main 函數(shù)開始執(zhí)行之前。

它的特點是：

(1) 初始化值可以是非常量:

動態(tài)初始化允許使用函數(shù)調(diào)用、其他變量的值（即使它們本身是動態(tài)初始化的）或者需要運行時計算的表達式來初始化全局變量。

(2) 執(zhí)行時機：

在程序啟動過程中，靜態(tài)初始化完成后，但在 main 函數(shù)執(zhí)行前，會有一段特殊的啟動代碼（runtime startup code）負(fù)責(zé)執(zhí)行這些動態(tài)初始化操作。

(3) C++ 類對象:

全局類對象的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用通常屬于動態(tài)初始化（除非構(gòu)造函數(shù)非常簡單且滿足特定條件，可能被優(yōu)化為靜態(tài)初始化）

簡單來說，動態(tài)初始化就像是在產(chǎn)品組裝完成后、正式使用前，進行的"開機設(shè)置"或"首次配置"。

示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cmath>
#include <ctime>

// 靜態(tài)初始化（零初始化）
int g_some_value;

// 動態(tài)初始化 - 需要運行時計算
double g_pi = acos(-1.0); // acos不是常量表達式

// 動態(tài)初始化 - 需要調(diào)用函數(shù)
time_t g_start_time = time(nullptr); // time()函數(shù)調(diào)用

// 動態(tài)初始化 - 依賴其他全局變量 (可能引發(fā)順序問題)
// int g_dependent_value = g_some_value + 5; // 如果g_some_value也是動態(tài)初始化，需注意順序

// C++ 類對象的動態(tài)初始化
classMyClass {
public:
    MyClass(const std::string& name) : name_(name) {
        std::cout << "構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行: " << name_ << std::endl;
    }
    std::string getName()const{ return name_; }
private:
    std::string name_;
};

std::string get_username(){
    // 模擬獲取用戶名
    return"默認(rèn)用戶名";
}

MyClass g_my_object(get_username()); // 調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和get_username()，動態(tài)初始化

intmain(){
    std::cout << "main 函數(shù)開始執(zhí)行..." << std::endl;
    std::cout << "g_pi: " << g_pi << std::endl;
    std::cout << "g_start_time: " << g_start_time << std::endl;
    // std::cout << "g_dependent_value: " << g_dependent_value << std::endl;
    std::cout << "g_my_object name: " << g_my_object.getName() << std::endl;

    // 即使 g_some_value 在 main 之前被動態(tài)初始化賦值（如果它是動態(tài)的話）
    // 這里訪問它時，它已經(jīng)完成了初始化
    g_some_value = 100; // 在 main 中修改
    std::cout << "g_some_value in main: " << g_some_value << std::endl;

    return0;
}

輸出:（VS2022）

構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行: 默認(rèn)用戶名
main 函數(shù)開始執(zhí)行...
g_pi: 3.14159
g_start_time: 1744354404
g_my_object name: 默認(rèn)用戶名
g_some_value in main: 100

四、 為什么區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)初始化

區(qū)分這兩個階段主要是為了效率和靈活性的平衡：

• 靜態(tài)初始化效率高： 它在編譯時確定值，程序加載時映射到內(nèi)存，不增加程序啟動時間。對于大量簡單的全局?jǐn)?shù)據(jù)，這是最優(yōu)的方式。
• 動態(tài)初始化提供靈活性： 它允許進行復(fù)雜的初始化操作，適應(yīng)更多場景，但會稍微增加程序啟動的開銷。

五、 靜態(tài)初始化順序災(zāi)難

這個概念里面的靜態(tài)指的是生命周期：靜態(tài)存儲期（指的是變量的生命周期從程序開始時分配內(nèi)存，直到程序結(jié)束時才釋放）

動態(tài)初始化的一個潛在問題是初始化順序。在不同的編譯單元（不同的 .cpp 文件）中定義的全局變量，它們的動態(tài)初始化順序在 C++ 標(biāo)準(zhǔn)中并沒有嚴(yán)格規(guī)定。如果你在一個編譯單元的動態(tài)初始化中，依賴了另一個編譯單元中需要動態(tài)初始化的全局變量，就可能因為后者的初始化尚未完成而出錯，這就是所謂的"靜態(tài)初始化順序災(zāi)難"。

避免方法：

• 盡量使用靜態(tài)初始化： 如果可能，優(yōu)先使用常量表達式進行靜態(tài)初始化。
• 局部靜態(tài)變量： 將全局變量改為函數(shù)內(nèi)的靜態(tài)變量，利用其首次調(diào)用時才初始化的特性來保證依賴關(guān)系。

MyClass& get_global_object() 
{
    static MyClass instance(get_username()); // 在首次調(diào)用時才進行動態(tài)初始化
    return instance;
}

六、 靜態(tài) vs 動態(tài)初始化

總體來說，我覺得我們開發(fā)當(dāng)中要注意這幾點：

• 第一盡量使用靜態(tài)初始化以提高性能并避免初始化順序問題。
• 第二如果必須依賴運行時環(huán)境，確保初始化邏輯簡單且無依賴關(guān)系。
• 第三對于復(fù)雜的初始化需求，可以將邏輯封裝到函數(shù)中，并在程序啟動時顯式調(diào)用。

七、 總結(jié)

• 全局變量的初始化是一個分為靜態(tài)初始化和動態(tài)初始化的有序過程，發(fā)生在 main 函數(shù)執(zhí)行之前。
• 靜態(tài)初始化處理常量表達式和零初始化，在編譯鏈接時確定，效率高。
• 動態(tài)初始化處理非常量表達式、函數(shù)調(diào)用和類對象構(gòu)造，在程序啟動時執(zhí)行，靈活性強。