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
2. 考察的要点
3. 解决策略
4. Demo测试
- 4.1. 测试代码
- 4.2. 执行结果
5. 程序异常退出场景
- 5.1. 存在的问题
- 5.2. 解决方案
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：

如何在main函数开始之前执行一段逻辑？
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。

__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。

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。

#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：

#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

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

1	int b = 5;

替换成

1 2	// 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：

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：

执行程序，按正常逻辑执行。
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)。
操作系统发送对应的崩溃信号(signal)给执行程序。
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。
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

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

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

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。
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。
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