c++中的静态成员变量

By | 2018年11月10日

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2018.11.14更新:类定义时的静态成员只是声明,静态成员的定义和初始化要在类之外完成

C++的static关键字可修饰成员变量/方法,表示变量/方法不从属于特定对象,而是属于类的。仔细琢磨静态成员变量,会发现其与C++的方式既相容也矛盾,具有特殊性。

先说相容的一面。·C/C++·有声明和定义的说法:声明给出签名,定义给出具体实现。对类型而言,声明不一定能知道其对象占用空间大小,但根据定义肯定能确定内存占用。说静态成员与C++方式是相容的,因为其初始化方式与方法的定义一致。下面是一个例子:

// Foo.hpp
namespace tlanyan {
  // 类声明和定义
  class Foo {
  private:
    // 声明静态成员
    static int value;
  public:
    // 方法声明
    void increaseValue();
    int getValue() const;
  };
}

// Foo.cpp
namespace tlanyan {
  // 定义静态成员变量并初始化
  int Foo::value = 0;
  // 类方法定义
  void Foo::increaseValue() {
    ++ value;
  }
  int Foo::getValue() {
    return value;
  }
}

相对于相容点,静态成员变量更多展现出怪异的一面,以下是个人总结:

  1. 静态成员不能在类中初始化;非静态成员可直接初始化,静态成员在类中只是声明,所以不能直接初始化。辅以const的静态成员可以直接初始化,但那是const的能力而非static所有;
  2. 对静态成员初始化,需要在类之外定义时再完成;
  3. 初始化时不受访问修饰符限制;private类型的静态成员可直接访问并赋值;
  4. 静态成员初始化时可调用函数,并且可以直接调用所属类的私有函数

其中第4点比较重要。在不支持C++11的编译器上,要完成静态map成员,就不得不借助函数返回:

#include <map>
// 类定义
class Foo {
private:
  std::map<const char*, int> maps;
  ...
}
// 静态成员初始化
std::map<const char*, int> Foo::maps = Foo::initMap();
// 或者使用全局函数
std::map<const char*, int> Foo::maps = initMap();

C++11引入了统一初始化和lambda表达式,初始化的写法更为简单:

// 统一初始化
std::map<const char*, int> Foo::maps {
  {"a", 31},
  {"b", 32}
};
// lambda表达式方式
std::map<const char*, int> Foo::maps = [] {
  map<const char*, int> _map;
  _map.insert(map<const char*, int>::value_type("a", 31));
 _map.insert(map<const char*, int>::value_type("a", 32));
  return _map;
}();

静态成员的这些异常行为很容易联想到全局变量,两者有许多相通的地方:在程序启动前完成初始化,在程序终止后销毁;存放的地方都是静态存储区而非堆栈;通过名字空间操作符获取值;在非函数块内通过函数调用或者lambda表达式完成初始化…

虽然各种面向对象编程语言都有静态变量,并且使用比例不低。但从面向对象的角度,静态成员是另一种形式的全局变量,其破坏了隔离和封装,增加了类之间的耦合,让测试变得更困难。实际编程中,应当慎用全局变量,并收紧其访问权限。

所以本质上静态成员也是全局变量,只是归属到特定类的名下。

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