全局变量 - 何时使用 static、inline、extern、const 和 constexpr

Question

有很多与 C++ 全局变量相关的问题和答案，例如：

• C 和 C++ 中的 static 和 extern 全局变量
• 全局变量和 constexpr （内联与否？）
• 将静态全局变量声明为内联是否有意义？
• 全局变量默认是extern还是相当于在global中用extern声明变量？
• 在 C++1z 中定义全局常量？
• 在C++中定义全局常量
• 内联静态 constexpr 与全局内联 constexpr

它们都包含一些小信息片段，例如inline变量在 C++17 中具体如何工作等。其中一些还没有很好地老化，因为 C++17 通过引入inline变量从根本上改变了规则。

C++20 还引入了模块和模块链接，这再次使得 StackOverflow 上的大多数内容过时，甚至过时。

本问答旨在统一这些问题，并为读者提供考虑这些版本更改的概述。

问题

• 何时使用static、inline、extern、const等constexpr作为全局变量？
• 历史上答案如何变化（C++17 之前/之后，C++20 之前/之后）？
• 答案如何根据全局变量所在的位置（标头/源/模块）而变化？

Answer 1

何时使用static、inline、extern、const等constexpr作为全局变量？

0. 概述

全局变量用例	常数	非常数
单个源文件的本地 （即仅在单个文件中声明和使用 ，不在标头中声明）	static const、 static constexpr(C++11)或 const在匿名命名空间中(C++11)	static，或 在匿名命名空间中(C++11)
已声明，未在标头中定义， 在源文件中定义	extern const在标题中； const在源代码中，或 constexpr(C++11)在源代码中	extern在标题中； 源代码中很简单
在标头中定义， 直到 C++17	inline使用模板 and constor进行模仿constexpr(C++11)；或 enum仅适用于整数	inline用模板模仿
自 C++17 起，在标头中定义	inline const， 或者 inline constexpr	inline
单个模块的本地(C++20)	const或者constexpr; 可选地inline	可选地inline
由模块导出(C++20)	export const或者 export inline constexpr	export; 可选地inline

在上述所有情况下，也可以使用constinit^{(C++20 起)}constexpr ，但不能与 组合使用。constinit consthas 它也使用，并且与 不一样constexpr。

注意：该决定也可能根据全局变量是否在动态链接库中定义/使用以及其他因素而改变。

1.始终使用确保一个源文件本地的所有内容都具有内部链接

首先，如果全局变量在单个源文件中声明并且仅在单个源文件中使用，那么它必须具有内部链接。全局变量在以下情况下具有内部链接：

• 它被标记static
• 它位于匿名命名空间中^{（C++11 起）}
• 它是const（或constexpr^{(C++11 起)}，因为constexpr暗示const）

如果它没有内部链接，那么您很容易遇到 ODR 违规。下面的示例格式错误，无需诊断。

// a.cpp
int counter = 0;   // FIXME: surround with anonymous namespace, or add 'static'
// b.cpp
long counter = 0;  // FIXME: surround with anonymous namespace, or add 'static'

创建变量inline^{（C++17 起）}并不能解决此问题。内部链接使其安全，因为这两个counters 在每个 TU 中都是不同的。

2. 如果声明了某些内容，但未在标头中定义，则将其声明为extern

有时候，每个人都有一个定义并不重要。例如：

// log.hpp
extern std::ofstream log_file;
// log.cpp
std::ofstream log_file = open_log_file();

log_file将to 的定义放在标头中并因此随处可见是毫无意义的。在性能方面几乎没有什么收获，而且它也将迫使我们open_log_file()在任何地方都可见。

关于extern constexpr^{(C++11 起)}或extern const constinit^{(C++20 起) 的注释}

另一个有效但罕见的用例是extern constexpr^{（自 C++11 起）}（请参阅此答案），即extern const在标头中，constexpr^{（自 C++11 起）}在源中。如果可用，最好通过源代码中的const constinit^{(Since C++20)来表达。}

此模式的目的是避免动态初始化昂贵的初始化查找表，同时保持标头/源分离。

3. 如果标头中定义了某些内容，请使其inline^{(C++17 起)}或inline使用模板进行模仿^{(C++17 之前)}

有时，到处都有一个定义很重要，例如应该内联的全局常量：

inline constexpr float exponent = 1.25f;

问：我真的需要inline与 结合使用吗constexpr？

是的你是。考虑以下示例：

constexpr float exponent = 1.25f; // OK so far, but dangerous

// note: 'const float&' might seem contrived because you could work with 'float'.
//       However, templates use const& everywhere, so it's very easy to
//       run into this case indirectly.
inline const float& foo(const float& x) {
    // IFNDR if the definition of foo appears in multiple translation units (TUs).
    return std::max(x, exponent);
}

该程序可能格式错误，无需诊断，因为exponent具有内部链接（由于const）并且是每个 TU 中的不同对象。每个定义都foo可能返回对其自身唯一的不同引用exponent，这违反了[basic.def.odr] p14.5

问：在 C++17 之前我可以做什么？inline变量还不存在。

类似的机制一直以模板的形式存在。

// define a wrapper class template with a static data member
template <typename = void>
struct helper { static const float exponent; };
// define the static data member
template <typename T>
struct helper<T>::exponent = 1.25f;
// For convenience, make a reference with internal linkage to it.
// This is safe from ODR violations because
// [basic.def.odr] p14.5.2 has a special case for it, and
// this special case was retroactively applied to all C++ standards
// in the form of a defect report.
static constexpr float& exponent = helper<>::exponent;
// (static const float& prior to C++11)

或者，特别是对于作用域^{(C++11 起)}和无作用域枚举，您可以将定义放入标头中，而不会产生风险：

inline constexpr int array_size = 100; // since C++17
enum { array_size = 100; };            // pre-C++17 alternative

4.尽可能将所有全局变量设为const偶数constexpr^{(C++11 起)}

除了1.、2.、3.中的规则外，总是const尽可能地去做。这极大地简化了确保程序正确性的过程，并实现了额外的编译器优化。

Q：初始化比较复杂怎么办？

有时您不能仅使用简单的表达式来初始化全局变量，如下所示：

std::array<float, 100> lookup;

void init() {
    for (std::size_t i = 0; i < lookup.size(); ++i) {
        lookup[i] = compute(i);
    }
}

但是，不要延迟初始化；而是使用立即调用的 lambda 表达式 (IILE) ^{（C++11 起）}或常规函数来执行初始化。

constexpr std::array<float, 100> lookup = [] {
    decltype(lookup) result{};
    /* ... */
    return result;
}();

问：constor constexpr^{（自 C++11 起）}对链接有什么影响？

创建全局变量constor constexpr^{（自 C++11 起）}为其提供内部链接，但如3.中所述，这不会为您简化任何事情。您仍然需要担心链接和 ODR。

5. 静态数据成员的工作方式不同

如3.中所示，静态数据成员可能不遵循相同的规则。它们与它们所属的类具有相同的链接，具有以下后果：

• 静态数据成员类似于inline类模板。
• const并不意味着静态数据成员的内部链接。

此外，constexpr对于静态数据成员意味着inline^{(C++17 起)}。