constexpr 函数在多个模块中共享

Question

当我使用 constexpr 函数时，我注意到一个奇怪的行为。 我将代码简化为一个简化的示例。 从两个不同的翻译单元（模块 A 和 B）调用两个函数。

#include <iostream>

int mod_a();
int mod_b();

int main()
{
    std::cout << "mod_a(): " << mod_a() << "\n";
    std::cout << "mod_b(): " << mod_b() << "\n";
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

这些模块看起来很相似。这是 mod_a.cpp：

constexpr int X = 3;
constexpr int Y = 4;

#include "common.h"

int mod_a()
{
    return get_product();
}

只有一些内部常量不同。这是 mod_b.cpp：

constexpr int X = 6;
constexpr int Y = 7;

#include "common.h"

int mod_b()
{
    return get_product();
}

两个模块都使用在“common.h”中定义的通用 constexpr 函数：

/* static */ constexpr int get_product()
{
    return X * Y;
}

我非常惊讶这两个函数都返回 12。由于 #include 指令（应该只是包含一些源代码），我认为两个模块之间没有交互。 当我将 get_product 也定义为 static 时，行为符合预期： mod_a() 返回 12， mod_b() 返回 42。

我还查看了 Jason Turner 的 C++ Weekly 第 312 集：停止使用“constexpr”（改为使用此！），网址为 https://www.youtube.com/watch?v=4pKtPWcl1Go。

一般使用static constexpr的建议是一个很好的提示。

但我仍然想知道我在没有 static 关键字的情况下注意到的行为是否定义良好。还是UB？或者这是一个编译器错误？

我还尝试了 C 风格的宏 #define get_product() (X*Y)，而不是 constexpr 函数，它也向我展示了预期的结果（12 和 42）。

照顾好

迈克尔

Answer 1

该程序格式错误：X 和 Y 具有内部链接，因为它们是命名空间范围内的 const 变量。这意味着 constexpr int get_product() 的两个定义（隐式内联）都违反了 一个定义规则：

程序中可以对以下各项进行多个定义：[...]、内联函数、[...]，只要满足以下所有条件：

• [...]
• 每个定义中的名称查找都会找到相同的实体（在重载解析之后），除了
  • 具有内部链接或无链接的常量可以引用不同的对象，只要它们不被 ODR 使用并且在每个定义中具有相同的值

并且显然这些常量具有不同的值。

---

发生的情况是 mod_a 和 mod_b 在运行时调用 get_product。 get_product 是隐式内联的，因此选择其中一个定义并丢弃另一个。 gcc 似乎所做的是采用找到的第一个定义：

$ g++ mod_a.cpp mod_b.cpp main.cpp && ./a.out
mod_a(): 12
mod_b(): 12
$ g++ mod_b.cpp mod_a.cpp main.cpp && ./a.out
mod_a(): 42
mod_b(): 42
$ g++ -c mod_a.cpp
$ g++ -c mod_b.cpp
$ g++ mod_a.o mod_b.o main.cpp && ./a.out
mod_a(): 12
mod_b(): 12
$ g++ mod_b.o mod_a.o main.cpp && ./a.out
mod_a(): 42
mod_b(): 42

就好像 get_product 不是 constexpr 一样，因为它是在运行时调用的。

但是，如果您要启用优化（或强制在编译时调用 get_product()，例如使用 constexpr int result = get_product(); return result;），则结果正如您所“期望的”：（

$ g++ -O1 mod_a.cpp mod_b.cpp main.cpp && ./a.out
mod_a(): 12
mod_b(): 42

尽管这仍然是 UB，正确的解决方法是使函数静态）

Answer 2

这段代码违反了单一定义规则（如果我错了，请语言律师纠正我）。

如果我单独编译代码，我会得到您期望的行为：

g++ -O1 -c main.cpp
g++ -O1 -c mod_a.cpp
g++ -O1 -c mod_b.cpp
g++ *.o
./a.out
> mod_a(): 12
> mod_b(): 42

如果我一次编译所有代码或激活链接时优化，UB 就会变得明显。

g++ -O1 *.cpp
./a.out
> mod_a(): 12
> mod_b(): 12

如何解决这个问题

您将它们声明为静态是正确的。更多的 C++-esce 将是匿名命名空间。您还应该将常量声明为静态或将它们放入命名空间中，而不仅仅是函数中。

mod_a.cpp：

namespace {
constexpr int X = 3;
constexpr int Y = 4;
}

#include "common.h"

int mod_a()
{
    return get_product();
}

common.h：

namespace {
constexpr int get_product()
{
    return X * Y;
}
} /* namespace anonymous */

在我看来，更好的是：将 common.h 包含在打开的命名空间中。这使得声明之间的联系更加明显，并且允许您拥有多个公共 get_products，每个命名空间一个。像这样的东西：

mod_a.cpp：

namespace {
constexpr int X = 3;
constexpr int Y = 4;

#include "common.h"
} /* namespace anonymous */

int mod_a()
{
    return get_product();
}