在 C++1z 中定义全局常量？

Question

在 C++1z 中声明内存高效全局常量 的最佳方法是什么？internal linkage ，所以在所有 translation units 中使用单个副本？

虽然在很多地方都提到过，但我们没有任何单一的“最佳方法”问题和答案，所以在这里。以下是我发现相关问题的部分地点列表。

• constexpr global constants in a header file and odr
• global declarations/initializations using static, const, constexpr
• Global Constants in C++11
• Defining global constant in C++
• c++ global constants issue
• Global Constants vs. Enumeration
• Proper way to make a global “constant” in C++

我正在寻找至少适用于所有基本基本类型的解决方案，例如 int、double、char、std::string。

编辑 1： 最好的方式，我的意思是“内存效率”。我知道对于内部链接，每个翻译单元都会制作多个副本，因此会占用内存。除此之外，如果我们能够实现快速的执行时间和编译时间，那就太好了，美化（易于）代码并不重要。我也知道外部链接会增加获取时间，因为处理器可能会在运行时出现缓存未命中。但是最新的 C++ 语言是否支持所有这些的最佳方法？或者可能会为每个案例提供建议支持？

注意：另外，std::string 全局常量的最佳方法是什么？ mutability 会不会对 constness 有影响？

Answer 1

总结

在 C++17 中，定义全局常量或全局变量的最简单方法通常是使用 inline variable。您只需在头文件中添加如下一行即可创建一个：

inline const std::string greeting = "Hello!";

如果全局常量是literal type，最好使用inline constexpr（inline 是可选的，如果它是静态类成员）而不是inline const：

inline constexpr std::string_view greeting = "Hello!"sv;

这也适用于变量，但许多优点不再适用，因此您可能需要使用其他方法：

inline unsigned int score = 0;

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首先，此方法的两个主要缺点优点是：

1. 它在 C++17 之前不起作用，因此如果您需要 C++14 或更早版本的兼容性，则需要执行其他操作。 template trick VTT suggests 与旧标准兼容，并且应该具有与内联变量类似的语义，但如果您只需要 C++17 支持，则不再需要它。
2. 编译比extern variables 慢一些，因为编译器需要合并多个定义，并且优化器可以获得更多信息。如果您可以更改定义而不是数据类型，则“有点”部分会变成“明显”；由于该值现在位于头文件中，这意味着重新编译包含头文件的所有内容，而不仅仅是重新链接。如果您可能需要更改数据类型，无论如何都需要重新编译。

如果这两个对您来说都不重要，我认为这种方法胜过其他使用external linkage 获取全局常量的方法，并且在最终可执行文件中最多¹一个定义²。

像这样的内联变量只在一个文件中提及，因此很容易更改；这对于仅头文件的库特别有用。这也意味着它在编译时具有可用的价值，因此优化器可以看到它并可能消除一些用法。

使用constexpr

在 C++17 中，静态 constexpr 类成员自动成为 inline，所以如果你的全局常量应该是类作用域的一部分，你可以这样做

constexpr int favorite_number = -3;

否则，您需要说constexpr inline，它应该仍然有效。这将具有上述语义，同时也具有constexpr 的通常优点，因此编译器会知道它可以在编译时尝试做更多事情。例如：

#include <string_view>

using namespace std::literals;

inline constexpr std::string_view greeting = "Hello!"sv;

inline constexpr int scrabble_points[greeting.size()] = {4, 1, 1, 1, 1, 0};

int main() {
  int total = 0;
  for (int i : scrabble_points) {
    total += i;
  }
  return total;
}

可以用constexpr，但不能只用inline，因为constexpr它知道greeting.size()是一个编译时常数，可以用作数组的大小。³通过优化，这个could compile to a just a single mov instruction and ret，不包括字符串或数组的任何个副本，因为它是不必要的。

使用新的内联语义，main 之前的所有内容都可以包含在多个位置的头文件中，并且最多仍然存在一个副本。

变量

同样的方法很容易通过省略const来支持可变变量：

inline std::string player_name = "<subject name here>";

这是一个具有外部链接的全局变量。因为它是一个变量，所以我提到的 Pete’s answer 的大部分优点都没有了，但一些（比如只在一个地方声明变量，不需要额外链接任何东西）仍然存在。不过，它们可能不值得稍微额外的编译时间和缺乏 C++14 兼容性。

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¹ 对于 const 或 constexpr 变量，如果不需要，编译器/优化器可能会完全消除该变量。从理论上讲，它可能决定将其复制到一个立即值或其他东西；实际上，您可能不应该担心这一点，因为它只有在有充分理由的情况下才会这样做，这应该会使最终的可执行文件更小和/或更快。您可以使用 -Os 而不是 -O3 来调整它。

² 每个使用该常量的目标文件 仍然会有一个副本，但它们会在链接时合并。避免这种情况的唯一方法是使用 extern 变量。

³ 即使没有inline，或者数组只有const 而不是constexpr，这个简化的示例也可以工作，但这些对于更复杂的实际情况很有用。

Answer 2

过去我们会在头文件中声明一个常量并在源文件中定义它：

// constants.h
extern const int size;

// constants.cpp
#include "constants.h"
const int size = 3;

// usage
std::cout << size << '\n';

但也许这太简单了；为什么不用 10 行模板和时髦的实例化语法来完善它？

Answer 3

我建议使用模板包装器，它允许在头文件中定义任何类型的全局常量，并且只会在所有翻译单元中生成一个副本（不需要 C++1z）：

template<typename TDummy = void> class
t_GlobalValueHolder final
{
     public: using
     t_Value = const int; // can be anything

     public: static t_Value s_value;
};

template<typename TDummy>
typename t_GlobalValueHolder<TDummy>::t_Value
t_GlobalValueHolder<TDummy>::s_value{42};

// usage
::std::cout << t_GlobalValueHolder<>::s_value;

注意：通常对s_value 的访问应仅限于类/方法的子集，方法是使值受保护并从t_GlobalValueHolder 派生用户类，或者仅将所有相关项目列为t_GlobalValueHolder 的朋友。除了消除对包含值定义的翻译单元的需要之外，适当的访问控制是这种方法相对于“extern const”的另一个好处。