将 'extern const' 替换为 'static const' 会影响性能吗？

Question

我们的 C 代码库跨两个文件存储所有全局常量：

//global.h
extern const long double ACCELERATION_GRAVITY_FTS;
extern const long double PI;
extern const long double DEG_TO_RAD;
extern const long double RAD_TO_DEG;
extern const long double GC_NM_PER_RAD;
extern const long double FEET_PER_NM;
...

---

//global.c
const long double ACCELERATION_GRAVITY_FTS = 32.17405;
const long double PI = 3.1415926535897932384626433832795;
const long double DEG_TO_RAD = 0.01745329251994329576923690768489;
const long double RAD_TO_DEG = 57.295779513082320876798154814105;
const long double GC_NM_PER_RAD = 3437.74677471314;
const long double FEET_PER_NM = 6076.1155;

为避免重复，我想将它们重构为一个文件：

//global.h
static const long double ACCELERATION_GRAVITY_FTS = 32.17405;
static const long double PI = 3.1415926535897932384626433832795;
static const long double DEG_TO_RAD = 0.01745329251994329576923690768489;
static const long double RAD_TO_DEG = 57.295779513082320876798154814105;
static const long double GC_NM_PER_RAD = 3437.74677471314;
static const long double FEET_PER_NM = 6076.1155;
//global.c no longer exists

虽然这在可维护性方面显然是一个很好的重构，
对性能和可执行文件大小实用吗？

Answer 1

除非volatile 或由函数初始化，否则static const 变量将是编译时常量。 （无论如何，使用任何体面的优化编译器）

因此，如果您确实使用 static const 变量，则可以提高速度和更小的二进制文件。

一个例子是：

extern volatile const int n;

int main(){
    volatile int i = n;
}

volatile const int n = 5;

其中有 x86 程序集：

main:
    mov eax, DWORD PTR n[rip]
    mov DWORD PTR [rsp-4], eax
    xor eax, eax
    ret
n:
    .long   5

我们必须使用volatile 来强制编译器获取变量的地址（如果变量不是volatile 而是在另一个翻译单元中，就会发生这种情况）并且不优化int i。

与static const 相同的示例：

static const int n = 5;

int main(){
    volatile int i = n;
}

具有 x86 程序集：

main:
    mov DWORD PTR [rsp-4], 5
    xor eax, eax
    ret

我们不必在常量上使用volatile，因为我们会以与使用标头完全相同的方式公开变量，但我们仍然需要停止编译器优化i。

您可以看到static const 方式少了一条指令，extern 方式在二进制文件中添加了额外的数据，以供参考。

因此我们获得了更好的性能和更小的二进制文件。虽然，我承认，这些例子都很琐碎。

这实际上也不是一个完美的表示。如果我们在另一个翻译单元中定义了const int n，没有链接时优化，编译器将无法输出n: .long 5，并且必须引用另一个变量。但是我们会给出这个例子的疑问。

这些优化非常常见，您基本上可以依赖它。

唯一需要注意的是，如果你写这样的东西：

static const int n = some_func();

int main(){
    volatile int i = n;
}

编译器不能用n 代替它的字面值。这会给您的二进制文件增加膨胀，因为您在标题中定义它，并且它将在每个翻译单元中重新声明一次。所以extern 在这种情况下对空间来说会更好，但可能不是速度；你可以自己测试一下。如果您确实需要进行微优化，只需混合搭配即可。

[所有示例均使用来自https://gcc.godbolt.org/ 的 gcc 4.9.2 编译并使用标志 -O3]

Answer 2

您的建议是有效的代码，它可能提高您的运行速度并且可能增加您的可执行文件的大小。

在这两种情况下，这取决于您的编译器在优化方面的能力。

从概念上讲，static const 版本意味着每个翻译单元都有自己的常量副本。

但这也意味着有更大的优化能力，因为编译器可以看到常量的值；它可以将值直接包含在正在使用的任何计算中，而不是从链接的内存位置检索值。

Answer 3

不，我认为这不会损害性能或可执行文件大小。 （相反，它可能会提高性能。）

可能有正当理由更喜欢extern。 例如：您的 const long double 值被编译到共享库中。对于使用该库的任何程序，这些 const 变量可以在您更改编译库时相应更改。也就是说，只有在要更改共享库的值时才重新编译共享库。相反，如果在这种情况下使用单个标头，则需要重新编译所有程序以使其更新。