C++如何在main函数开始之前(或结束之后)执行一段逻辑?

  • [1. 问题](#1. 问题)
  • [2. 考察的要点](#2. 考察的要点)
  • [3. 解决策略](#3. 解决策略)
    • [3.1. 方案一:使用GCC的拓展功能](#3.1. 方案一:使用GCC的拓展功能)
    • [3.2. 方案二:使用全局变量](#3.2. 方案二:使用全局变量)
    • [3.3. 方案三:atexit](#3.3. 方案三:atexit)
  • [4. Demo测试](#4. Demo测试)
    • [4.1. 测试代码](#4.1. 测试代码)
    • [4.2. 执行结果](#4.2. 执行结果)
  • [5. 程序异常退出场景](#5. 程序异常退出场景)
    • [5.1. 存在的问题](#5.1. 存在的问题)
    • [5.2. 解决方案](#5.2. 解决方案)
      • [5.2.1. 原理](#5.2.1. 原理)
      • [5.2.2. 示例代码](#5.2.2. 示例代码)
      • [5.2.3. 执行结果](#5.2.3. 执行结果)
      • [5.2.4. 特殊说明](#5.2.4. 特殊说明)
  • [6. 参考文档](#6. 参考文档)

1. 问题

我们知道C/C++程序的执行逻辑是从main函数开始,到main函数结束。但是,有时我们需要在main函数开始之前或结束之后执行一段逻辑,比如:

  1. 如何在main函数开始之前执行一段逻辑?
  2. 如何在main函数结束之后执行一段逻辑?

有办法实现吗?在往下阅读之前,请先思考一下。

2. 考察的要点

C++程序的代码执行逻辑。

全局变量|静态变量的理解。

3. 解决策略

3.1. 方案一:使用GCC的拓展功能

GCC编译器的拓展功能,通过 __attribute__ 关键字注册"在main函数开始之前或结束之后"执行的回调函数。

c++ 复制代码
__attribute((constructor)) void before_main() {
    std::cout << "before main" << std::endl;
}

__attribute((destructor)) void after_main() {
    std::cout << "after main" << std::endl;
}

3.2. 方案二:使用全局变量

全局变量会在进程刚启动的时候就初始化,在进程结束的时候被销毁。所以:全局对象的初始化会在main函数执行之前被执行;全局对象的销毁会在main函数执行之后被执行。

结合C++类的构造函数和虚构函数的特点,可以专门定义一个类来处理main函数开始之前和结束之后的逻辑(为了保证这个类只有一个全局对象,建议将这个类设计成单例模式),然后在main之前声明这个类的一个全局变量。

c++ 复制代码
class BeforeAndAfterMain
{
public:
    static BeforeAndAfterMain& GetInstance()
    {
        static BeforeAndAfterMain instance;
        return instance;
    }

    ~BeforeAndAfterMain()
    {
        std::cout << "Global object destory after main" << std::endl;
    }

private:
    BeforeAndAfterMain()
    {
        std::cout << "Global object construct before main" << std::endl; 
    }
    BeforeAndAfterMain(const BeforeAndAfterMain&) = delete;
    BeforeAndAfterMain& operator=(const BeforeAndAfterMain&) = delete;
};

auto& g_before_and_after_main = BeforeAndAfterMain::GetInstance();

3.3. 方案三:atexit

针对main函数结束之后的逻辑,可以使用atexit函数注册一个回调函数,在main函数执行之后被执行。

c++ 复制代码
#include <cstdlib>

void at_main_exit(){
    std::cout << "at_main_exit" << std::endl;
}

4. Demo测试

4.1. 测试代码

完整测试代码如下:

c++ 复制代码
#include <iostream>
#include <cstdlib>

__attribute((constructor)) void before_main() {
    std::cout << "before main" << std::endl;
}

__attribute((destructor)) void after_main() {
    std::cout << "after main" << std::endl;
}

class BeforeAndAfterMain
{
public:
    static BeforeAndAfterMain& GetInstance()
    {
        static BeforeAndAfterMain instance;
        return instance;
    }

    ~BeforeAndAfterMain()
    {
        std::cout << "Global object destory after main" << std::endl;
    }

private:
    BeforeAndAfterMain()
    {
        std::cout << "Global object construct before main" << std::endl; 
    }
    BeforeAndAfterMain(const BeforeAndAfterMain&) = delete;
    BeforeAndAfterMain& operator=(const BeforeAndAfterMain&) = delete;
};

auto& g_before_and_after_main = BeforeAndAfterMain::GetInstance();

void at_main_exit(){
    std::cout << "at_main_exit" << std::endl;
}

int main() {
    // https://en.cppreference.com/w/cpp/header/cstdlib
    atexit(at_main_exit);

    std::cout << "main begin" << std::endl;
    int a = 10;
    int b = 5;
    // crash to exit
    // int b = 0;
    int c = a / b;
    std::cout << "a /b = " << c << std::endl;
    std::cout << "main end" << std::endl;
    return 0;
}

4.2. 执行结果

bash 复制代码
before main
Global object construct before main
main begin
a /b = 2
main end
at_main_exit
Global object destory after main
after main

5. 程序异常退出场景

5.1. 存在的问题

上面的Demo,把

c++ 复制代码
    int b = 5;

替换成

c++ 复制代码
    // crash to exit
    int b = 0;

会导致程序异常(除数不能为0)退出,输出如下:

bash 复制代码
before main
Global object construct before main
main begin
Floating point exception

三种main函数结束后的逻辑均未被执行。说明:程序异常退出时(如:crash),"main函数结束后的逻辑均"不被执行,不能cover住这种场景。

5.2. 解决方案

5.2.1. 原理

当程序崩溃时,操作系统会发送一个信号给程序,通知它发生了异常。在 C++中,可以通过 signal 函数来注册一个信号处理程序,使程序能够在接收到该信号时执行自定义的代码。

程序的执行流程:

  1. 执行程序,按正常逻辑执行。
  2. 程序崩溃,异常退出,根据不同的崩溃原因,操作系统能识别出不同的崩溃信号(signal)。
  3. 操作系统发送对应的崩溃信号(signal)给执行程序。
  4. 执行程序根据提前已注册好的信号处理函数,执行对应的信号处理逻辑。
  5. 信号处理函数执行完毕,通过exit函数退出程序。

这样保证了:虽然程序的主流程崩溃了,但是程序还是能正常结束。这样即使程序崩溃了,还是能够自己完成如:"资源释放"、"状态保存或重置"等一些重要的逻辑。

5.2.2. 示例代码

c++ 复制代码
void signal_handler(int sig) {
    // 这里编写你的异常信号处理逻辑,比如打印日志,保存状态,捕获堆栈信息等。
    std::cerr << "signal_handler" << std::endl;
    // 注意:信号处理程序执行完成,一定要调用exit退出,否则信号处理函数可能会被循环执行。
    exit(1);
}

int main() {
    // 注册信号处理函数
    // signal(SIGSEGV, signal_handler);
    signal(SIGFPE, signal_handler);
    

    // https://en.cppreference.com/w/cpp/header/cstdlib
    atexit(at_main_exit);

    std::cout << "main begin" << std::endl;
    int a = 10;
    // int b = 5;
    // crash to exit
    int b = 0;
    int c = a / b;
    std::cout << "a /b = " << c << std::endl;
    std::cout << "main end" << std::endl;
    return 0;
}

5.2.3. 执行结果

bash 复制代码
before main
Global object construct before main
main begin
signal_handler
at_main_exit
Global object destory after main
after main

5.2.4. 特殊说明

  1. 当程序崩溃时,可能已经无法正常执行代码,因此需要谨慎地编写信号处理程序,以避免进一步的崩溃或数据损坏。
  2. 信号处理程序执行完成,一定要调用exit退出,否则信号处理函数可能会被循环执行。
  3. 考虑各种可能出现的异常信号,比如:SIGSEGV、SIGFPE、SIGILL、SIGABRT等。这些可能出现的异常,都需要注册对应的信号处理程序。以免出现异常漏捕获的情况。

6. 参考文档

https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/122623008
https://blog.csdn.net/MldXTieJiang/article/details/129620160

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