当库被静态和动态链接时，静态类变量和方法会发生什么

Question

下面的场景让我很感兴趣。

(A)源代码库。

(B) 包含(A) 的共享库

(C) 包含(A) 的静态库

(D)，与(B) 和(C) 链接的顶级程序。

以前我阅读了以下答案并理解，如果链接是静态的，则变量是真正的静态变量，并且在整个程序中只存在一次，但如果链接是动态的，则静态变量存在的次数与包含库的次数一样多。 What happens to static variables when libraries are statically linked

例如，如果我在下面的代码中包含 N 次静态库，__immediately_lambda_call 会被触发 N 次，但会访问相同的 gMyClass。

static MyClass& GetSingleton() {
    static std::once_flag flag;
    static MyClass* gMyClass;
    std::call_once(flag, [&]() { gMyClass = new MyClass(); });
    return *gMyClass;
}

static const auto __immediately_lambda_call = []() {
    auto& gMyClass = GetSingleton();
    return true;
}();

但是当相同的代码被包含为动态库和静态库时会发生什么。

请随意忽略下一段。我更关心静态库和动态库之间如何共享内存。

问题是因为顶级程序(D)在更复杂的代码中随机向我抛出double free memory错误，我将其总结为以下代码，我不明白为什么，但是在动态时添加__attribute__((visibility( hidden ))编译库似乎解决了这个问题。

static const int gMyArr[2] = {1,2};
static const int gMyNum = 1;

class API_STATIC_DYNAMIC MyOtherClass
{
public:
    MyOtherClass()
     : mMatrix(new int[20])
    {}
    
    MyOtherClass()
    {
       delete[] mMatrix;
    }
    
    void doSomething()
    {
        int d = gMyArr[0];
    }

    static int gMatrix[10];
    static int gNumber;
    
private:
    int *mMatrix;
}

编辑库：

API.h

#if defined(STATIC_LIB)
    #define API_STATIC_DYNAMIC 
#else
    #define API_STATIC_DYNAMIC __attribute__((visibility("hidden"))) // removed "default"
#endif

MYLIB.h

class MyLibApi
{
public:
    void doSomething();
    
private:
    class MyLibImp;
    MyLibImp *mPimpl;
}

MYLIB.cpp

class MyLibImp()
{
public:
    MyOtherClass myOther;
}

void MyLibApi::doSomething()
{
    mPimpl->myOther->doSomething();
}

编辑应用程序：

int main()
{
   MyLibApi api;
   api.doSomething();
   MyOtherClass other;
   other.doSomething();
   return 0;
}

Answer 1

当库被静态和动态链接时，静态类的变量和方法会发生什么？

这是特定于操作系统（或实现）的。

对于 Linux，请阅读（相当长的）论文 How to write shared libraries 以及 Program Library HowTo 和 C++ dlopen minihowto。另请阅读C++ programming book，另请参阅this C++ reference。稍后阅读 C++11 标准 n3337（或更新的 C++ 标准的规范）。

为了简化，在 Linux 上：

对于静态链接库：静态数据的构造函数在crt0main之前运行，静态数据的析构函数在main之后运行。 一些构造函数初始化vtables 所需的virtual 方法。

对于共享库：静态数据的构造函数在dlopen(3) 时间或ld.so(8) 时间运行（所以在main 之前）。析构函数在dlclose 时间运行，或者在ld.so 之后运行。阅读execve(2) 和其他相关syscalls(2) 的详细信息。

构造函数运行的顺序可能与构建时链接库的顺序有关。如果您与g++ a.o b.o -lxa -lyb 链接，则可能静态构造函数在a.o 中运行，然后在b.o 中，然后在libxa.a 中，然后在libyb.so 中，但也许那些来自共享可以先运行库。

您可以使用GDB 调试器并在您的 个构造函数的一些 中设置断点。您可能希望编译所有您的 C++ 代码 with g++ -Wall -Wextra -g -O0 -fno-inline 以进行调试。

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顶层程序（D）随机给我一个双倍空闲内存

关于您的双重免费问题，请考虑使用valgrind 和/或address sanitizer。阅读更多关于invoking GCC的信息。

当然，编译时启用所有警告和调试信息，所以使用 at learn g++ -Wall -Wextra -g。使用GCC 10，尝试其新的static analyzer 选项。还可以考虑使用Clang static analyzer 或Frama-C。

我更关心静态库和动态库之间如何共享内存。

请记住，给定的process 有一个virtual address space。使用pmap(1) 来理解它（或以编程方式，使用proc(5)，从你的程序内部，/proc/self/maps）。阅读有关elf(5) 的更多信息，并在您的（或其他）可执行文件和共享库上使用nm(1)、ldd(1)、file(1)、objdump(1)、readelf(1)。也可以使用strace(1)、ltrace(1)、gdb(1) 来了解程序的运行时行为。