Ответ

История вопроса

Статические члены классов появились в C++, чтобы позволить хранить общее для всех объектов значение или функцию, не привязанную к конкретному экземпляру класса. Это удобно для хранения, например, счётчиков, фабрик объектов или вспомогательных функций.

Проблема

Одной из сложностей всегда была область видимости и момент инициализации таких членов, особенно если в программе много исходных файлов. Неправильное определение static-члена приводит к ошибкам компоновки (linker errors).

Решение

В C++ static-члены объявляются в определении класса, но их инициализация (для переменных) должна происходить отдельно в cpp-файле (до C++17). C++17 позволяет инициализацию прямо внутри объявления, если это constexpr.

Пример кода:

class MyClass {
public:
    static int counter;
    static void increment() { ++counter; }
};

int MyClass::counter = 0; // инициализация ОБЯЗАТЕЛЬНА вне класса

Ключевые особенности:

Статические члены принадлежат самому классу, а не объекту
Статические функции не имеют доступа к this и нестатическим переменным
Статические переменные должны инициализироваться вне класса (до C++17)

Вопросы с подвохом.

Что произойдет, если не определить static-член в cpp-файле?

Получите ошибку компоновки (linker error), потому что статическая переменная будет объявленной, но не определённой. Исключение — если static const int инициализирован прямо внутри класса для constexpr-значения.

// .h
class A { 
public: static int x;
}; 
// .cpp
// int A::x = 0; // если закомментировано — будет ошибка

Можно ли вызвать нестатическую функцию из статической?

Нет. Статической функции не доступен указатель this и нестатические члены напрямую. Для доступа нужен конкретный объект.

class B {
    int data;
    static void foo() {
        // data = 3; // ошибка
    }
};

Являются ли статические переменные общими для всех экземпляров?

Да, в рамках одного исполняемого файла и процесса — одно и то же значение для всех экземпляров.

Типовые ошибки и анти-паттерны

Забывают определить static-члены вне класса, получают ошибки линковки
Стараются обращаться к нестатическим полям из статических функций
Используют static-члены для хранения состояния между потоками без синхронизации

Пример из жизни

Негативный кейс

В команде забыли определить static-член в cpp-файле, проект периодически собирается с ошибкой, а иногда, при использовании inline-инициализации (не во всех компиляторах), появляется "таинственная" ошибка исполнения.

Плюсы:

Быстро написали код

Минусы:

Неустойчивое поведение на разных платформах
Сложности отладки, неочевидные ошибки

Позитивный кейс

В компании заведено правило: static-члены всегда определены в cpp-файлах для каждого класса. Для thread-safety используются std::mutex или атомарные операции.