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C++全局构造和初始化

article 2024/11/15 19:46:50

片段摘自`程序员的自我修养—链接、装载与库.pdf` 11.4

程序在进入main之前，需要对全局对象进行构造初始化。

glibc全局对象进行构造初始化

gibc启动程序时会经过.init段，退出程序时会经过.finit段。这两个段中的代码最终拼接成_init()和_finit(),这两个函数优先于/后于main函数执行。

_start->_init()->main()->_finit()

用户所有放在.init段的代码将在main函数之前执行，即全局对象的初始化。具体执行流程如下：

_start->__libc_start_main->__libc_csu_init->_init->__do_global_ctors_aux

void __do_global_ctors_aux(void)
{
 /*call constructor functions*/
 unsigned long nptrs = (unsigned long)__CTOR_LIST__[0];
for(unsigned i = nptrs;i >= 1;i--)
	__CTOR_LIST__[i]
}

CTOR_LIST 存放所有全局对象的构造和初始化的函数指针。__do_global_ctors_aux从__CTOR_LIST__ 的下一个位置开始，按顺序执行函数指针，直到遇上NULL(__CTOR_END__)，从而调用所有全局对象的构造函数。

那么__CTOR_LIST__ 是如何初始化的呢？
GCC编译器在编译的时候会遍历每个编译单元的全局对象，生成一个特殊函数_GLOBAL__I_HW,利用这个特殊函数对本编译单元的所有全局、静态对象进行初始化。

static void _GLOBAL__I_HW(void)
{
	Hw::Hw();//构造对象
	atexit(__tcf_l)
}

一旦目标文件里面有这样的函数，编译器则会在这个编译单元目标文件的.ctors放置一个指针，指向_GLOBAL__I_HW。即__CTOR_LIST__列表保存的是每个编译单元的_GLOBAL__I_HW函数指针。链接器则会将所有的目标文件的.ctors合并成一个.ctors段
__CTOR_LIST__ 代表所有.ctors的起始地址。
__CTOR_END__ 指向.ctors段的末尾。
在这里插入图片描述
所以如果想在main之前调用函数，只需要在.ctors段里面添加函数指针即可。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//main函数之前执行
__attribute((constructor)) void before_main()
{
        printf("====%s=====\n", __FUNCTION__);
}

//main函数之后执行
__attribute((destructor)) void after_main()
{
        printf("====%s=====\n", __FUNCTION__);
}


int main(int argc, char **argv)
{
        printf("=====entering %s.========\n", __FUNCTION__);

        printf("====exiting from main!===\n");
        return 0;
}

在这里插入图片描述

MSVC 全局对象进行构造初始化

msvc的入口函数mainCRTStartup

mainCRTStartup()
{
	...
	_initterm(__xc_a,__xc_z);
	...
}

其中__xc_a和__xc_z是两个函数指针。而_initterm的内容则是：

typedef void (__cdecl *_PVFV)();
static void __cdecl _initterm(_PVFV* pfbegin,_PVFV* pfend)
{
	while(pfbegin < pfend)
	{
		if(*pfbegin  != null)
			(**pfbegin)();
		++pfbegin;
	}
}

第一眼看上去和glibc几乎一模一样，__xc_a相当于指针的开始地址__CTOR_LIST__，__xc_z则相当于结束地址__CTOR_END__

那么msvc 是如何初始化__xc_a和__xc_z的呢？

_CRTALLOC(".CRT$XCA") _PVFV __xc_a[] = {NULL};
_CRTALLOC(".CRT$XCZ") _PVFV __xc_Z[] = {NULL};

其中_CRTALLOC定义

#pragma section(".CRT$XCA",long,read)
#pragma section(".CRT$XCZ",long,read)

#define _CRTALLOC(x) __declspec(allocate(x))

#pragma section("section-name",[,attributes])的作用是在obj的文件里创建名为section-name的段，并具有指定的attributes属性。所以上述两条指令实际生成了两个名为.CRT$XCA、.CRT$XCZ的段。__declspec(allocate(x)则表示变量将变量分配在段x里。所以__xc_a分配在.CRT$XCA、__xc_z分配在.CRT$XCZ里。
msvc编译的时候，会为每一个编译单元生成.CRT$XCU(U是User的意思)的段。在这个段里面加入自身的全局初始化函数。链接的时候将所有相同属性的段合并。段根据字母A-Z的顺序排序。
在这里插入图片描述
所以如果想在main之前调用函数，只需要在段（A-Z之间，不包含A,Z）.CRT$XCB里面添加函数指针即可。

因为全局初始化函数在段.CRT$XCU里面，根据A-Z排序并执行。所以如果想要在全局构造函数之前执行，段名必须在U之前。如果想在全局构造函数之后main之前则段名必须在U之后。不包含A,Z

class CA
{
public:
	CA(){printf("CA::CA\r\n");}
	~CA(){printf("CA::~CA\r\n");}
};

#define SECNAME ".CRT$XCB"

#pragma section(SECNAME,long,read)
void foo()
{
	printf("foo \r\n");
}
typedef void(_cdecl* _PVFV)();
_declspec(allocate(SECNAME)) _PVFV dummy[] = { foo };



CA g_obj;
int main()
{
	printf("main enter\r\n");
	printf("main exit\r\n");
    return 0;
}

.CRT$XCB段输出（先执行foo，在执行全局对象初始化,在执行main）
在这里插入图片描述
.CRT$XCY段输出（先执行全局对象初始化，在执行foo,在执行main）

Note:注意事项，如果在main函数之前想引用全局变量或者函数，此时全局变量的构造函数还没执行。可能结果和预期不一致。
demo: foo里面改变CA成员变量的值。

CA g_obj;

void foo()
{
	g_obj.m_a = 10;
	printf("foo g_obj addr:%I64d g_obj.m_a=%d\r\n", &g_obj, g_obj.m_a);
}

int main()
{
	printf("main enter\r\n");
	printf("foo g_obj addr:%I64d g_obj.m_a=%d\r\n", &g_obj, g_obj.m_a);
	printf("main exit\r\n");
    return 0;
}