Урок №50. Почему глобальные переменные – зло?
Обновл. 11 Сен 2020 |
Если вы попросите ветерана-программиста дать один дельный совет о программировании, то после некоторого раздумья он ответит: «Избегайте использования глобальных переменных!». И, частично, он будет прав. Глобальные переменные являются одними из самых злоупотребляемых объектов в языке C++. Хоть они и выглядят безвредными в небольших программах, использование их в крупных проектах зачастую чрезвычайно проблематично.
Новички часто используют огромное количество глобальных переменных, потому что с ними легко работать, особенно когда задействовано много функций. Это плохая идея. Многие разработчики считают, что неконстантные глобальные переменные вообще не следует использовать!
Но прежде, чем мы разберемся с вопросом «Почему?», нужно кое-что уточнить. Когда разработчики говорят, что глобальные переменные — это зло, они НЕ подразумевают полностью ВСЕ глобальные переменные. Они говорят о неконстантных глобальных переменных.
Почему (неконстантные) глобальные переменные — это зло?
Безусловно, причина №1, почему неконстантные глобальные переменные являются опасными, — это то, что их значения могут изменять любые вызываемые функции, при этом вы можете этого и не знать. Например, рассмотрим следующую программу:
Результат выполнения программы:
Launching nuclear missiles.
Неконстантные глобальные переменные делают каждую функцию потенциально опасной, и программист не может заранее знать, какая из используемых им функций является опасной, а какая — нет. Локальные переменные намного безопаснее, потому что другие функции не могут влиять на них напрямую.
Также есть много других веских причин не использовать неконстантные глобальные переменные. Например, нередко можно встретить примерно следующее:
Одной из причин объявления локальных переменных максимально близко к месту их первого использования является уменьшение количества кода, которое нужно будет просмотреть, чтобы понять, что делает (зачем нужна?) переменная. С глобальными переменными дела обстоят несколько иначе — поскольку их можно использовать в любом месте программы, то вам придется просмотреть чуть ли не весь код, чтобы проследить логику выполнения и изменения значений переменных в вашей программе.
Также глобальные переменные делают вашу программу менее модульной и гибкой. Функция, которая использует только свои параметры и не имеет побочных эффектов, является идеальной в плане модульности. Модульность помогает понять структуру вашей программы, что она делает и как можно повторно использовать определенные участки кода в другой программе. Глобальные переменные значительно уменьшают эту возможность.
В частности, не используйте глобальные переменные в качестве важных переменных, которые выполняют главные или решающие функции в программе (например, переменные, которые используются в условных стейтментах, как g_mode выше). Ваша программа вряд ли сломается, если в ней будет глобальная переменная с информационным значением, которое может меняться (например, имя пользователя). Гораздо хуже, если изменится значение глобальной переменной, которая влияет непосредственно на результаты выполнения самой программы или на её работу.
Правило: Вместо глобальных переменных используйте локальные (когда это целесообразно).
В чём плюсы использования (неконстантных) глобальных переменных?
Их немного. Зачастую можно обойтись без использования неконстантных глобальных переменных. Но в некоторых случаях их разумное использование поможет уменьшить сложность программы, и, иногда, может быть даже лучшим вариантом для решения проблемы, чем альтернативные способы.
Например, если ваша программа использует базу данных для чтения и записи данных, то имеет смысл определить базу данных глобально, поскольку доступ к ней может понадобиться с любого места. Аналогично, если в вашей программе есть журнал ошибок (или журнал отладки), в котором вы можете читать/записывать информацию об ошибках (или об отладке), то имеет смысл определить его глобально. Звуковая библиотека может быть еще одним хорошим примером: вам, вероятно, не захочется открывать доступ к ней для каждой функции, которая делает запрос. Поскольку у вас будет только одна звуковая библиотека, управляющая всеми звуками, логично будет объявить её глобально, инициализировать при запуске программы, а затем использовать только в режиме чтения.
Как защититься от «глобального разрушения»?
Если у вас возникнет ситуация, где полезнее будет использовать неконстантные глобальные переменные, вместо локальных, то вот вам несколько полезных советов, которые помогут свести к минимуму количество потенциальных проблем, с которыми вы можете столкнуться при использовании подобных переменных.
Во-первых, добавляйте префикс g_ ко всем вашим глобальным переменным и/или размещайте их в пространстве имен, дабы уменьшить вероятность возникновения конфликтов имен.
6.4 – Введение в глобальные переменные
В уроке «6.3 – Локальные переменные» мы рассмотрели, что локальные переменные – это переменные, определенные внутри функции (или параметры функции). Локальные переменные имеют область видимости блока (видны только внутри блока, в котором они объявлены) и имеют автоматическую продолжительность (они создаются в точке определения и уничтожаются при выходе из блока).
В C++ переменные также могут быть объявлены вне функции. Такие переменные называются глобальными переменными.
Объявление и именование глобальных переменных
По соглашению глобальные переменные объявляются в верхней части файла, ниже включений заголовочных файлов, но выше любого кода. Ниже показан пример определения глобальной переменной:
Приведенный выше пример напечатает:
По соглашению многие разработчики добавляют к идентификаторам глобальных переменных префикс » g » или » g_ «, чтобы указать, что они глобальные.
Лучшая практика
Рассмотрите возможность использования префикса » g » или » g_ » для глобальных переменных, чтобы помочь отличить их от локальных переменных.
Глобальные переменные имеют область видимости файла и статическую продолжительность
Поскольку они определяются вне функции, глобальные переменные считаются частью глобального пространства имен (отсюда и термин «область видимости глобального пространства имен»).
Глобальные переменные создаются при запуске программы и уничтожаются при ее завершении. Это называется статической продолжительностью. Переменные со статической продолжительностью иногда называют статическими переменными.
В отличие от локальных переменных, которые по умолчанию не инициализируются, статические переменные по умолчанию инициализируются нулем.
Инициализация глобальной переменной
При желании неконстантные глобальные переменные можно инициализировать:
Константные глобальные переменные
Как и локальные переменные, глобальные переменные могут быть константными. Как и все константы, константные глобальные переменные должны быть инициализированы.
Связанный контент
Предупреждение о (неконстантных) глобальных переменных
У начинающих программистов часто возникает соблазн использовать множество глобальных переменных, потому что их можно использовать без явной передачи их каждой функции, которая в них нуждается. Однако следует вообще избегать использования неконстантных глобальных переменных! А почему, мы обсудим в следующем уроке «6.9 – Почему глобальные переменные – это зло».
Руководство Google по стилю в C++. Часть 3
Часть 1. Вступление
Часть 2. Заголовочные файлы
Часть 3. Область видимости
Часть 4. Классы
… 
Эта статья является переводом части руководства Google по стилю в C++ на русский язык.
Исходная статья (fork на github), обновляемый перевод.
Область видимости
Пространство имён
Размещайте свой код в пространстве имён (за некоторыми исключениями). Пространство имён должно иметь уникальное имя, формируемое на основе названия проекта, и, возможно, пути. Не используйте директиву using (например, using namespace foo). Не используйте встроенные (inline) пространства имён. Для безымянных пространств имён смотрите Безымянные пространства имён и статические переменные.
Определение
Пространства имён делят глобальную область видимости на отдельные именованные области позволяя избежать совпадения (коллизий) имён.
За
Пространства имён позволяют избежать конфликта имён в больших программах, при этом сами имена остаются достаточно короткими.
Например, если два разных проекта содержат класс Foo в глобальной области видимости, имена могут конфликтовать. Если каждый проект размещает код в своё пространство имён, то project1::Foo и project2::Foo будут разными именами, конфликтов не будет, в то же время код каждого проекта будет использовать Foo без префикса.
Пространства имён inline автоматически делают видимыми свои имена для включающего пространства имён. Рассмотрим пример кода:
Здесь выражения outer::inner::foo() и outer::foo() взаимозаменяемы. Inline пространства имён в основном используются для ABI-совместимости разных версий.
Против
Пространства имён могут запутать программиста, усложнить понимание, что к чему относится.
Пространства имён inline, в частности, могут сбивать с толку т.к. область видимости не ограничена местом определения. Поэтому такой вид пространств имён может быть полезен только при обновлении интерфейсов с сохранением совместимости.
В ряде случаев требуется использование полных имён и это может сделать код сильно перегруженным.
Заключайте в пространство имён целиком файл с исходным кодом после #include-ов, объявлений/определений gflag-ов и предварительных объявлений классов из других пространств имён.
В .cc файлах могут быть дополнительные объявления, такие как флаги или using-декларации.
Не используйте using-директиву чтобы сделать доступными все имена из пространства имён.
Не используйте псевдонимы пространств имён в блоке namespace в заголовочном файле, за исключением явно обозначенных «внутренних» пространств имён. Связано это с тем, что любая декларация в заголовочном файле становится частью публичного API, экспортируемого этим файлом.
Безымянные пространства имён и статические переменные
Когда определения внутри .cc файла не используются в других исходных файлах, размещайте такие определения в безымянном пространстве имён или объявляйте их как static. Не используйте такой тип определения в заголовочных файлах (.h).
Определение
Размещённые в безымянном пространстве имён объявления могут быть слинкованы как internal (только для внутреннего использования). Функции и переменные также могут быть с internal линковкой, если они заявлены как static. Такие типы объявления подразумевают, что они будут недоступны из другого файла. Если другой файл объявляет сущность с таким же именем, то оба объявления будут полностью независимы.
Вердикт
Использование internal линковки в .cc файлах предпочтительно для любого кода, к которому не обращаются снаружи (из других файлов). Не используйте подходы internal линковки в .h файлах.
Формат описания безымянного пространства имён полностью аналогичен именованному варианту. Не забывайте к закрывающей скобке написать комментарий, в котором имя оставьте пустым:
Функции: глобальные, статические внутри класса, вне класса
Предпочтительно размещать функции либо внутри класса, либо в некотором пространстве имён. Использование глобальных функций должно быть минимальным. Также не используйте класс для группировки различных функций, объявляя их статическими в одном классе: статические функции (по-правильному) должны использоваться для работы с экземплярами класса или его статическими данными.
За
Вообще функции (как статические, так и вне класса) довольно полезная штука, Кэп. И размещение функций либо в классе, либо в пространстве имён позволяет всё остальное содержать в чистоте (я про глобальное пространство имён).
Против
Иногда разумнее статические функции класса и функции вне класса сгруппировать в одном месте, в новом классе. Например, когда у них сложные зависимости от всего или им нужен доступ к внешним ресурсам.
Вердикт
Иногда полезно объявить функцию, не привязанную к экземпляру класса. И можно сделать либо статическую функцию в классе, либо внешнюю (вне класса) функцию. Желательно, чтобы функция-вне-класса не использовала внешних переменных и находилась в пространстве имён. Не создавайте классы только для группировки статических функций: это всё равно, что дать функциям некий префикс и группировка становится лишней.
Если требуется определить функцию: в .cc-файле; вне класса; используемой только в локальном файле — используйте internal линковку для ограничения области видимости.
Локальные переменные
Объявляйте переменные внутри функции в наиболее узкойобласти видимости, инициализируйте такие переменные при объявлении.
Язык C++ позволяет объявлять переменные в любом месте функции. Однако рекомендуется делать это в наиболее узкой (наиболее вложенной) области видимости, и по возможности ближе к первому использованию. Это облегчает поиск объявлений, проще узнать тип переменной и её начальное значение. Также рекомендуется использовать инициализацию, а не объявление с присваиванием. Примеры:
Переменные, необходимые только внутри кода if, while и for лучше объявлять внутри условий, тогда область их видимости будет ограничена только соответствующим блоком кода:
Однако учитывайте одну тонкость: если переменная есть экземпляр объекта, то при каждом входе в область видимости будет вызываться конструктор, и, соответственно, при выходе будет вызываться деструктор.
Возможно было бы более эффективно такую переменную (которая используется внутри цикла) объявить вне цикла:
Переменные: статические и глобальные
Объекты в статической области видимости/действия запрещены, кроме тривиально удаляемых. Фактически это означает, что деструктор должен ничего не делать (включая вложенные или базовые типы). Формально это можно описать, что тип не содержит пользовательского или виртуального деструктора и что все базовые типы и не-статические члены ведут себя аналогично (т.е. являются тривиально удаляемыми). Статические переменные в функциях могут быть динамически инициализированными. Использование же динамической инициализации для статических членов класса или переменных в области пространства имён (namespace) в целом не рекомендуется, однако допустимо в ряде случаев (см. ниже).
Эмпирическое правило: если глобальную переменную (рассматривая её изолированно) можно объявить как constexpr, значить она соответствует вышеуказанным требованиям.
Определение
Каждый объект имеет тот или иной тип времени жизни / storage duration, и, очевидно, это влияет на время жизни объекта. Объекты статического типа доступны с момента их инициализации до момента завершения программы. Такие объекты могут быть переменными в пространстве имён («глобальные переменные»), статическими членами классов, локальными переменными внутри функций со спецификатором static. Статические переменные в функциях инициализируются, когда поток выполнения кода проходит в первый раз через объявление; все остальные объекты статического типа инициализируются в фазе старта (start-up) приложения. Все объекты статического типа удаляются в фазе завершения программы (до обработки незавершённых(unjoined) потоков).
Инициализация может быть динамическая, т.е. во время инициализации делается что-то нетривиальное: например, конструктор выделяет память, или переменная инициализируется идентификатором процесса. Также инициализации может быть статической. Сначала выполняется статическая инициализация: для всех объектов статического типа (объект инициализируется либо заданной константой, либо заполняется нулями). Далее, если необходимо, выполняется динамическая инициализация.
За
Глобальные и статические переменные бывают очень полезными: константные имена, дополнительные структуры данных, флаги командной строки, логирование, регистрирование, инфраструктура и др.
Против
Глобальные и статические переменные с динамической инициализацией или нетривиальным деструктором могут сильно усложнить код и привести к трудно обнаруживаемым багам. Порядок динамической инициализации (и разрушения) объектов может быть различным когда есть несколько единиц трансляции. И, например, когда одна из инициализаций ссылается на некую переменную статического типа, то возможна ситуация доступа к объекту до корректного начала его жизненного цикла (до полного конструирования), или уже после окончания жизненного цикла. Далее, если программа создаёт несколько потоков, которые не завершаются к моменту выхода из программы, то эти потоки могут пытаться получить доступ к объектам, которые уже разрушены.
Вердикт
Когда деструктор тривиальный, тогда порядок разрушения в принципе не важен. В противном случае есть риск обратиться к объекту после его разрушения. Поэтому, настоятельно рекомендуется использовать только переменные со статическим типом размещения (конечно, если они имеют тривиальный деструктор). Фундаментальные типы (указатели или int), как и массивы из них, являются тривиально разрушаемыми. Переменные с типом constexp также тривиально разрушаемые.
Отметим, что ссылка не есть сам объект, и, следовательно, к ним не применяются ограничения по разрушению объекта. Хотя ограничения на динамическую инициализацию остаются в силе. В частности, внутри функции допустим следующий код static T& t = *new T;.
Тонкости инициализации
Инициализация может быть запутанной: мало того, что конструктору нужно (желательно правильно) отработать, так есть ещё и предварительные вычисления:
Константная инициализация является рекомендуемой для большинства случаев. Константную инициализацию переменных со статическим размещением рекомендуется помечать как constexpr или атрибутом ABSL_CONST_INIT
. Любую переменную вне функции, со статическим размещением и без указанной выше маркировки следует считать динамически инициализируемой (и тщательно проверять на ревью кода).
Например, следующие инициализации могут привести к проблемам:
Динамическая инициализация переменных вне функций не рекомендуется. В общем случае это запрещено, однако, это можно делать если никакой код программы не зависит от порядка инициализации этой переменной среди других: в этом случае изменение порядка инициализации не может что-то поломать. Например:
Динамическая же инициализация статических переменных в функциях (локальных) допустима и является широко распространённой практикой.
Стандартные практики
Потоковые переменные
Потоковые переменные (thread_local), объявленные вне функций должны быть инициализированы константой, вычисляемой во время компиляции. И это должно быть сделано с помощью атрибута ABSL_CONST_INIT
. В целом, для определения данных, специфичных для каждого потока, использование thread_local является наиболее предпочтительным.
Определение
Начиная с C++11 переменные можно объявлять со спецификатором thread_local:
Каждая такая переменная представляется собой коллекцию объектов. Разные потоки работают с разными экземплярами переменной (каждый со своим экземпляром). По поведению переменные thread_local во многом похожи на Переменные со статическим типом размещения. Например, они могут быть объявлены в пространстве имён, внутри функций, как статические члены класса (как обычные члены класса — нельзя).
Инициализация потоковых переменных очень напоминает статические переменные, за исключением что это делается для каждого потока. В том числе это означает, что безопасно объявлять thread_local переменные внутри функции. Однако в целом thread_local переменные подвержены тем же проблемам, что и статические переменные (различный порядок инициализации и т.д.).
Переменная thread_local разрушается вместе с завершением потока, так что здесь нет проблем с порядком разрушения, как у статических переменных.
Вердикт
Переменные thread_local, заявленные внутри функций, можно использовать без ограничений, т.к. у них с безопасностью всё отлично. Отметим, что возможно использовать объявленную внутри функции переменную thread_local и вне функции. Для этого нужна функция доступа к переменной:
Переменные thread_local в классе или пространстве имён необходимо инициализировать константой времени компиляции (т.е. динамическая инициализация недопустима). Для этого необходимо аннотировать эти thread_local переменные с помощью ABSL_CONST_INIT
(или constexpr, но это лучше использовать пореже):
Переменные thread_local должны быть предпочтительным способом определения потоковых данных.
Примечания:
Изображение взято из открытого источника.
Урок №49. Глобальные переменные
Обновл. 24 Сен 2021 |
Мы уже знаем, что переменные, объявленные внутри блока, называются локальными. Они имеют локальную область видимости (используются только внутри блока, в котором объявлены) и автоматическую продолжительность жизни (создаются в точке определения и уничтожаются в конце блока).
Глобальными называются переменные, которые объявлены вне блока. Они имеют статическую продолжительность жизни, т.е. создаются при запуске программы и уничтожаются при её завершении. Глобальные переменные имеют глобальную область видимости (или «файловую область видимости»), т.е. их можно использовать в любом месте файла, после их объявления.
Определение глобальных переменных
Обычно глобальные переменные объявляют в верхней части кода, ниже директив #include, но выше любого другого кода. Например:
Подобно тому, как переменные во внутреннем блоке скрывают переменные с теми же именами во внешнем блоке, локальные переменные скрывают глобальные переменные с одинаковыми именами внутри блока, в котором они определены. Однако с помощью оператора разрешения области видимости ( :: ), компилятору можно сообщить, какую версию переменной вы хотите использовать: глобальную или локальную. Например:
Результат выполнения программы:
Global value: 3
Local value: 9
Ключевые слова static и extern
В дополнение к области видимости и продолжительности жизни, переменные имеют еще одно свойство — связь. Связь переменной определяет, относятся ли несколько упоминаний одного идентификатора к одной и той же переменной или нет.
Переменная без связей — это переменная с локальной областью видимости, которая относится только к блоку, в котором она определена. Это обычные локальные переменные. Две переменные с одинаковыми именами, но определенные в разных функциях, не имеют никакой связи — каждая из них считается независимой единицей.
Переменная, имеющая внутренние связи, называется внутренней переменной (или «статической переменной»). Она может использоваться в любом месте файла, в котором определена, но не относится к чему-либо вне этого файла.
Переменная, имеющая внешние связи, называется внешней переменной. Она может использоваться как в файле, в котором определена, так и в других файлах.
Если вы хотите сделать глобальную переменную внутренней (которую можно использовать только внутри одного файла) — используйте ключевое слово static:
Область видимости переменных в C++: локальные и глобальные переменные
Всем привет! Сегодня мы затронем тему, которую должны были изучить еще в самом начале пути изучения C++ — область видимости переменных. Мы разберем, что такое локальные и глобальные переменные.
Область видимости переменных в C++
Область видимости переменных — это те части программы, в которой пользователь может изменять или использовать переменные в своих нуждах.
В C++ существуют отдельные блоки, которые начинаются с открывающей скобки ( < ) и заканчиваются соответственно закрывающей скобкой ( >). Такими блоками являются циклы (for, while, do while) и функции.
Если переменная была создана в таком блоке, то ее областью видимости будет являться этот блок от его начала (от открывающей скобки — < ) и до его конца (до закрывающей скобки — >) включая все дочерние блоки созданные в этом блоке.
В примере ниже, программист ошибся с областью видимости:
А вот ошибки в строке 6 нет, поскольку второй цикл находится в первом цикле (является дочерним блоком первого цикла) и поэтому переменная b может спокойно там использоваться.
Глобальные переменные в C++
Глобальными переменными называются те переменные, которые были созданы вне тела какого-то блока. Их можно всегда использовать во всей вашей программе, вплоть до ее окончания работы. В примере ниже мы создали две глобальные переменные global и global_too и использовали их в функции summa :
Вот, что выведет данная программа:
Как видите глобальные переменные видны везде. В нашем примере внутри функции summa мы не создавали ни какие переменные, мы лишь использовали две глобальные переменные, которые были созданы раньше.
Локальные переменные
Локальные переменные — это переменные созданные в блоках. Областью видимости таких переменных является блоки ( и все их дочерние ), а также их область видимости не распространяется на другие блоки. Как ни как, но эти переменные созданы в отдельных блоках.
Из этого можно сделать вывод: у нас есть возможность создавать переменные с одинаковыми именами, но в разных блоках (или другими словами, чтобы их область видимости не совпадала друг с другом).
Нужно запомнить! Если вы создали локальную переменную, то вы должны понимать, что использование ее в других блоках будет невозможным.
Глобальная переменная уступает локальной
Если мы создадим глобальную переменную и с таким же именем локальную, то получится, что там где была создана локальная переменная будет использоваться именно локальная переменная, а не глобальная. Так как локальная переменная считается по приоритету выше глобальной. Давайте разберем, как это работает на примере ниже:
А вот, если мы вызовем функцию sait_message то результатом будет:
Вот так глобальная переменная уступает локальной!
Мы советуем вам не создавать переменные с одинаковыми именами, поскольку в будущем вам будет тяжело разобраться в коде, если там будут присутствовать одинаковые переменные.
Глобальный оператор разрешения
В случае создания двух переменных с одинаковым именем (одна из которых является глобальной, а другая локальной) при использовании в блоке, в котором была объявлена локальная переменная, можно использовать и глобальную переменную. Для ее использования нужно всего лишь применить глобальный оператор разрешения.
Глобальный оператор разрешения — это два подряд поставленные двоеточия, с помощью которых мы говорим компилятору, что хотим использовать глобальную переменную, а не локальную.
Чтобы использовать глобальный оператор разрешения нужно применять данную конструкцию:
