09.11.2020 06:30
IlyaMatsuk 20 4600 Источник


Всем привет. На одном из код-ревью я столкнулся с мыслью, что многие, а чего скрывать и я сам, не то чтобы хорошо понимаем когда нужно использовать ключевое слова static. В данной статье я хотел бы поделиться своими знаниями и информацией по поводу ключевого слова static. Статья будет полезна как начинающим программистам, так и людям, работающим с языком С++. Для понимания статьи у вас должны быть знания о процессе сборки проектов и владение языком С/С++ на базовом уровне. Кстати, static используется не только в С++, но и в С. В этой статье я буду говорить о С++, но имейте в виду, что всё то, что не связано с объектами и классами, в основном применимо и к языку С.


Что такое static?


Static - это ключевое слово в C++, используемое для придания элементу особых характеристик. Для статических элементов выделение памяти происходит только один раз и существуют эти элементы до завершения программы. Хранятся все эти элементы не в heap и не на stack, а в специальных сегментах памяти, которые называются .data и .bss (зависит от того инициализированы статические данные или нет). На картинке ниже показан типичный макет программной памяти.



Где используется?


Ниже приведена схема, как и где используется static в программе.



А теперь я постараюсь детально описать все то, что изображено на схеме. Поехали!

Статические переменные внутри функции


Статические переменные при использовании внутри функции инициализируются только один раз, а затем они сохраняют свое значение. Эти статические переменные хранятся в статической области памяти (.data или .bss), а не в стеке, что позволяет хранить и использовать значение переменной на протяжении всей жизни программы. Давайте рассмотрим две почти одинаковые программы и их поведение. Отличие в них только в том, что одна использует статическую переменную, а вторая нет.

Первая программа:

#include <iostream>

void counter() {
  static int count = 0; // строка 4
  std::cout << count++;
}

int main() {
  for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    counter();
  }
  return 0;
}

Вывод программы:
0123456789

Вторая программа:

#include <iostream>

void counter() {
  int count = 0; // строка 4
  std::cout << count++;
}

int main() {
  for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    counter();
  }
  return 0;
}

Вывод программы:
000000000

Если не использовать static в строке 4, выделение памяти и инициализация переменной count происходит при каждом вызове функции counter(), и уничтожается каждый раз, когда функция завершается. Но если мы сделаем переменную статической, после инициализации (при первом вызове функции counter()) область видимости count будет до конца функции main(), и переменная будет хранить свое значение между вызовами функции counter().

Статические объекты класса


Статический объект класса имеет такие же свойства как и обычная статическая переменная, описанная выше, т.е. хранится в .data или .bss сегменте памяти, создается на старте и уничтожается при завершении программы, и инициализируется только один раз. Инициализация объекта происходит, как и обычно — через конструктор класса. Рассмотрим пример со статическим объектом класса.

#include <iostream>

class Base { // строка 3
public:
  Base() { // строка 5
    std::cout << "Constructor" << std::endl;
  }
  ~Base() { // строка 8
    std::cout << "Destructor" << std::endl; 
  }
};

void foo() { 
  static Base obj; // строка 14
} // строка 15

int main() {
  foo(); // строка 18
  std::cout << "End of main()" << std::endl;
  return 0;
}

Вывод программы:
Constructor
End of main()
Destructor

В строке 3 мы создаем класс Base с конструктором (строка 5) и деструктором (строка 8). При вызове конструктора либо деструктора мы выводим название метода класса в консоль. В строке 14 мы создаем статический объект obj класса Base. Создание этого статического объекта будет происходить только при первом вызове функции foo() в строке 18.


Из-за того, что объект статический, деструктор вызывается не при выходе из функции foo() в строке 15, а только при завершении программы, т.к. статический объект разрушается при завершении программы. Ниже приведен пример той же программы, за исключением того, что наш объект нестатический.



#include <iostream>

class Base {
public:
  Base() {
    std::cout << "Constructor" << std::endl;
  }
  ~Base() { 
    std::cout << "Destructor" << std::endl; 
  }
};

void foo() { 
  Base obj; 
} // строка 15

int main() {
  foo();
  std::cout << "End of main()" << std::endl;
  return 0;
}

Если мы уберем static при создании переменной в функции foo(), то разрушение объекта будет происходить в строке 15 при каждом вызове функции. В таком случае вывод программы будет вполне ожидаемый для локальной переменной с выделенной памятью на стеке:
Constructor
Destructor
End of main()


Статические члены класса


В сравнении с предыдущими вариантами использования, статические члены класса немного сложнее для понимания. Давайте разберемся, почему. Предположим, у нас есть следующая программа:

#include <iostream>

class A { // строка 3
public:
  A() { std::cout << "Constructor A" << std::endl; }
  ~A() { std::cout << "Destructor A" << std::endl; }
};

class B { // строка 9
public:
  B() { std::cout << "Constructor B" << std::endl; }
  ~B() { std::cout << "Destructor B" << std::endl; }

private:
  static A a; // строка 15 (объявление)
};

int main() {
  B b; // строка 19
  return 0;
}

В нашем примере мы создали класс А (строка 3) и класс В (строка 9) со статическими членами класса (строка 15). Мы предполагаем, что при создании объекта b в строке 19 будет создан объект a в строке 15. Так бы и произошло, если бы мы использовали нестатические члены класса. Но вывод программы будет следующим:
Constructor B
Destructor B

Причиной такого поведения является то, что статические члены класса не инициализируются с помощью конструктора, поскольку они не зависят от инициализации объекта. Т.е. в строке 15 мы только объявляем объект, а не определяем его, так как определение должно происходить вне класса с помощью оператора разрешения области видимости (::). Давайте определим члены класса B.

#include <iostream>

class A {
public:
  A() { std::cout << "Constructor A" << std::endl; }
  ~A() { std::cout << "Destructor A" << std::endl; }
};

class B {
public:
  B() { std::cout << "Constructor B" << std::endl; }
  ~B() { std::cout << "Destructor B" << std::endl; }

private:
  static A a; // строка 15 (объявление)
};

A B::a; // строка 18 (определение)

int main() {
  B b;
  return 0;
}

Теперь, после того как мы определили наш статический член класса в строке 18, мы можем увидеть следующий результат программы:
Constructor A
Constructor B
Destructor B
Destructor A

Нужно помнить, что член класса будет один для всех экземпляров класса B, т.е. если мы создали три объекта класса B, то конструктор статического члена класса будет вызван только один раз. Вот пример того, о чем я говорю:

#include <iostream>

class A {
public:
  A() { std::cout << "Constructor A" << std::endl; }
  ~A() { std::cout << "Destructor A" << std::endl; }
};

class B {
public:
  B() { std::cout << "Constructor B" << count++ << std::endl; }
  ~B() { std::cout << "Destructor B" << --count << std::endl; }

private:
  static A a; // объявление
  static int count; // объявление
};

A B::a; // определение
int B::count = 1; // определение

int main() {
  B b1, b2, b3;
  return 0;
}

Вывод программы:
Constructor A
Constructor B1
Constructor B2
Constructor B3
Destructor B3
Destructor B2
Destructor B1
Destructor A

Статические функции


Статические функции пришли в С++ из С. По умолчанию все функции в С глобальные и, если вы захотите создать две функции с одинаковым именем в двух разных .c(.cpp) файлах одного проекта, то получите ошибку о том, что данная функция уже определена (fatal error LNK1169: one or more multiply defined symbols found). Ниже приведен листинг трех файлов одной программы.

// extend_math.cpp
int sum(int a, int b) {
  int some_coefficient = 1;
  return a + b + some_coefficient;
}

// math.cpp
int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

// main.cpp
 int sum(int, int); // declaration

int main() {
  int result = sum(1, 2);
  return 0;
}

Для того чтобы исправить данную проблему, одну из функций мы объявим статической. Например эту:

// extend_math.cpp
static int sum(int a, int b) {
  int some_coefficient = 1;
  return a + b + some_coefficient;
}

В этом случае вы говорите компилятору, что доступ к статическим функциям ограничен файлом, в котором они объявлены. И он имеет доступ только к функции sum() из math.cpp файла. Таким образом, используя static для функции, мы можем ограничить область видимости этой функции, и данная функция не будет видна в других файлах, если, конечно, это не заголовочный файл (.h).


Как известно, мы не можем определить функцию в заголовочном файле не сделав ее inline или static, потому что при повторном включении этого заголовочного файла мы получим такую же ошибку, как и при использовании двух функций с одинаковым именем. При определении статической функции в заголовочном файле мы даем возможность каждому файлу (.cpp), который сделает #include нашего заголовочного файла, иметь свое собственное определение этой функции. Это решает проблему, но влечет за собой увеличение размера выполняемого файла, т.к. директива include просто копирует содержимое заголовочного файла в .cpp файл.



Статические функции-члены класса (методы)


Статическую функцию-член вы можете использовать без создания объекта класса. Доступ к статическим функциям осуществляется с использованием имени класса и оператора разрешения области видимости (::). При использовании статической функции-члена есть ограничения, такие как:

  1. Внутри функции обращаться можно только к статическим членам данных, другим статическим функциям-членам и любым другим функциям извне класса.
  2. Статические функции-члены имеют область видимости класса, в котором они находятся.
  3. Вы не имеете доступа к указателю this класса, потому что мы не создаем никакого объекта для вызова этой функции.

Давайте рассмотрим следующий пример:

#include <iostream>

class A {
public:
  A() { std::cout << "Constructor A" << std::endl; }
  ~A() { std::cout << "Destructor A" << std::endl; }

  static void foo() { // строка 8
    std::cout << "static foo()" << std::endl;
  }
};

int main() {
  A::foo(); // строка 14
  return 0;
}

В классе A в строке 8 у нас есть статическая функция-член foo(). В строке 14, мы вызываем функцию используя имя класса и оператор разрешения области видимости и получаем следующий результат программы:
static foo()

Из вывода видно, что никакого создания объекта нет и конструктор/деструктор не вызывается.


Если бы метод foo() был бы нестатическим, то компилятор выдал бы ошибку на выражение в строке 14, т.к. нужно создать объект для того, чтобы получить доступ к его нестатическим методам.



Заключение


В одной статье в интернете я нашел совет от автора – «Используйте static везде, где только можно». Я хотел бы написать, почему так делать не стоит, а стоит использовать только в случае необходимости.


Итоги:


  • Статические переменные медленнее, чем нестатические переменные. Для того, чтобы обратиться к статической переменной, нам нужно сделать несколько дополнительных действий, таких как переход в другой сегмент памяти и проверка инициализации переменной. Чаще всего, быстрее выделить локальную переменную на стеке, чем делать дополнительные действия по использованию статической переменной.
  • Если вы используете многопоточность, то здесь вы должны быть крайне осторожными, т.к. возможна ситуация, когда два и более потока захотят писать в одну статическую переменную. Если вы будете использовать нестатические переменные в функциях, то избежите подобного, т.к. для каждого потока будет создана собственная нестатическая переменная.
  • Ключевое слово static является неотъемлемой частью порождающего шаблона проектирования Singleton, который гарантирует, что будет создан только один экземпляр этого класса. В реализации этого паттерна используется и статический объект, и статическая функция-член. На практике вы можете использовать Singleton для создания объекта трейсера, логгера или любого другого объекта, который должен быть один на всё ваше приложение.
  • Иногда для того, чтобы функция отработала только один раз без хранения предыдущего состояния где-то в объекте, используют статические переменные. Пример вы можете посмотреть в разделе «Статические переменные внутри функции». Но это не очень хороший подход, и может привести к долгим часам поиска ошибки, если вы используете многопоточность.
  • На практике, программисты C++ часто используют статические функции-члены как альтернативу обычным функциям, которые не требуют создания объекта для выполнения ее.

Надеюсь, вам понравилась моя статья о ключевом слове static в языке C++. Буду рад любой критике и советам. Всем спасибо!