面试题：C++中全局变量引用与程序初始化顺序的深度剖析

Question

考虑一个复杂的C++项目，其中有多个源文件，每个源文件中都定义了一些全局变量，并且这些全局变量之间存在相互引用的情况。例如，`A.cpp` 中的全局变量 `a` 依赖于 `B.cpp` 中的全局变量 `b` 进行初始化。请详细分析这种情况下程序的初始化顺序可能带来的问题，以及如何通过合理的设计（如使用单例模式、静态局部变量等）来解决这些问题，给出完整的设计思路和关键代码示例。

Answer 1

初始化顺序带来的问题

1. 未定义行为：C++标准仅保证在同一个翻译单元（源文件）内全局变量的初始化顺序是按照定义顺序进行的。但对于不同翻译单元中的全局变量，初始化顺序是未定义的。如果 A.cpp 中的 a 依赖 B.cpp 中的 b 进行初始化，而 b 未初始化时 a 就尝试使用它，会导致未定义行为，程序可能崩溃或出现难以调试的错误。
2. 依赖倒置：可能出现循环依赖的情况，例如 A.cpp 中的变量依赖 B.cpp 中的变量，而 B.cpp 中的变量又依赖 A.cpp 中的变量，这会导致初始化死锁，程序无法正常启动。

解决方法

单例模式

1. 设计思路：将需要初始化的全局变量封装在单例类中。单例类确保只有一个实例存在，并且在第一次使用时进行初始化。这样可以控制初始化顺序，避免不同翻译单元全局变量初始化顺序问题。
2. 关键代码示例：

// Singleton.h
class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
    // 假设这里的value就是需要的全局变量
    int value;
private:
    Singleton() : value(0) {}
    ~Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

在其他源文件中使用：

// SomeOtherFile.cpp
#include "Singleton.h"
void someFunction() {
    Singleton& s = Singleton::getInstance();
    // 使用s.value
}

静态局部变量

1. 设计思路：在函数内部使用静态局部变量。静态局部变量在第一次进入函数时初始化，利用这一特性，可以将全局变量的初始化逻辑封装在函数中，通过调用函数来获取初始化后的变量，从而控制初始化顺序。
2. 关键代码示例：

// GlobalVar.h
int& getGlobalVar() {
    static int globalVar = 0; // 假设这里进行初始化逻辑
    return globalVar;
}

在其他源文件中使用：

// AnotherFile.cpp
#include "GlobalVar.h"
void anotherFunction() {
    int& var = getGlobalVar();
    // 使用var
}