第25.3章：存储期、链接与命名空间

1. 三个不同的问题

“这个名字住在哪里？”实际上是三个问题，混淆它们是这个领域大多数 bug 的来源：

问题	术语	答案
名字在源码的哪里可用？	作用域	块、类、命名空间、函数参数等
对象活多久？	存储期	自动、静态、线程或动态
另一个翻译单元能引用它吗？	链接	无链接、内部链接或外部链接

变量可以有块作用域和静态存储期（局部 static）。可以有命名空间作用域和内部链接（匿名命名空间）。可以有命名空间作用域和外部链接（普通全局变量）。这三个属性互相独立。

2. 局部 `static`：一个对象，只初始化一次

int next_id()
{
    static int counter{};
    return ++counter;
}

counter 是块作用域变量，具有静态存储期。每个程序一个对象，不是每次调用一个。控制第一次到达声明时初始化，程序退出时销毁。

从 C++11 起，初始化是线程安全的：如果两个线程同时第一次调用 next_id，一个会等待另一个，对象只构造一次。这个保证是关于初始化的，不是关于之后的访问。++counter 本身在两个线程并发调用时是数据竞争。如果这就是你的意思，用 std::atomic<int>。

#include <atomic>

int next_id()
{
    static std::atomic<int> counter{};
    return ++counter;
}

局部 static 适合惰性单例、缓存和一次性初始化。它不适合隐藏的全局状态：函数签名不再告诉读者调用之间共享数据。如果测试需要重置状态，局部 static 让你无法做到，除非额外提供重置钩子。

3. `thread_local`：每个线程一个对象

thread_local int per_thread_counter{};

void bump()
{
    ++per_thread_counter;
}

每个线程有自己的 per_thread_counter。线程第一次到达声明时创建对象，线程退出时销毁。它是线程局部缓存的存储期对应物：没有锁、没有共享、没有伪共享。

在头文件里用 inline thread_local，让每个翻译单元引用同一个实体：

inline thread_local int per_thread_counter{};

thread_local 有成本。动态初始化器每个线程运行一次，对象可能需要 TLS 槽，析构函数在线程退出时运行。在独立目标上可能根本没有线程局部存储。不要把它用于逻辑上全局的值；当值确实是每线程的时候才用它。

thread_local 变量不会自动与其他线程同步。它是私有状态，不是通信通道。如果两个线程必须看到同一个值，用 atomic 或受 mutex 保护的对象，而不是 thread_local。

4. `inline` 变量

C++17 之前，头文件不能定义全局变量：每个包含头文件的翻译单元都会定义它，链接器会报重复定义。变通办法是每个翻译单元一个 static 变量（各有一份），或者 extern 声明加一个 .cc 文件里的定义。

C++17 增加了 inline 变量。inline 变量有外部链接，在所有翻译单元中只有一个定义，即使定义出现在头文件里：

inline constexpr int protocol_version = 3;
inline std::string default_name{"fast_io"};

这里的 inline 是关于链接和 ODR 的，不是关于内联变量的地址或避免内存加载。编译器仍然可以把对象放在一个位置，并让每个翻译单元引用它。

头文件定义的常量用 inline constexpr，需要唯一身份的全局对象用 inline。非平凡 inline 变量有动态初始化；它相对于其他翻译单元的初始化顺序仍然是问题。顺序重要时，优先常量初始化或函数局部 static。

5. 命名空间作用域的 `const` 很特殊

在 C++ 中，命名空间作用域的 const 变量默认具有内部链接：

const int limit = 100;          // internal linkage
extern const int shared = 100;  // external linkage, defined here
inline constexpr int version = 3; // one entity across TUs

这就是为什么头文件里的 const int limit = 100; 不会导致链接错误：每个翻译单元得到自己的副本。这也是为什么在两个翻译单元里取 limit 的地址可能得到两个不同地址。如果你需要一个身份，写 inline constexpr，或者 extern const 加一个定义。

这条规则是 C++ 从 C 的 const 语义继承来的。它会让那些以为每个命名空间作用域定义都是外部链接的人吃惊。依赖地址身份之前，先检查链接。

6. 匿名命名空间

namespace
{
    int implementation_counter;
    void helper();
}

无名命名空间里的名字具有内部链接。每个翻译单元得到自己的副本，名字不会与另一个翻译单元里的同名名字冲突。它是命名空间作用域 static 的现代替代品。

匿名命名空间适合 .cc 文件里的实现细节。它不适合头文件里的共享状态：每个包含头文件的翻译单元得到不同的对象，所以那个“全局”不是全局的。如果你想要一个对象，用 inline 变量。

匿名命名空间也不是安全边界。它改变链接，不改变调试器、二进制或另一个拥有自己副本的翻译单元对它的可见性。不要把秘密放进去。

7. 内联命名空间

内联命名空间的成员在外层命名空间里也可见：

namespace lib
{
    inline namespace v2
    {
        struct widget
        {
            int id;
        };
    }
}

lib::widget w{1};    // OK, as if widget were directly in lib
lib::v2::widget x{2}; // also OK

这是标准库的版本化工具。std::literals 是一个内联命名空间，这就是为什么 using namespace std::literals; 能让字面量可见而不需要命名版本。库可以增加新的内联命名空间 v3，同时保留旧的以兼容 ABI。

内联命名空间影响名字查找和名字修饰。它们不是运行时机制，也不创建新对象。当你需要透明版本化时用它，不要把它当通用分组工具。

8. `extern`：声明与定义

extern int global;       // declaration: no storage here
int global = 42;         // definition: storage here

extern "C" int c_api();  // C language linkage

没有初始化器的 extern 是声明。它告诉编译器名字和类型；链接器在别处找定义。定义分配存储（或提供函数体）。这个区别在头文件里很重要：声明放头文件，定义放一个 .cc 文件，或者对变量用 inline。

extern "C" 是语言链接，不是存储。它关闭 C++ 名字修饰，让 C 程序或 C ABI 能找到符号。它不改变类型系统，也不让 C++ 类布局与 C 兼容。

要点

作用域、存储期和链接是互相独立的属性。
局部 static 每个程序一个对象，只初始化一次，首次使用线程安全。
thread_local 每线程一个对象；它是私有状态，不是同步。
inline 变量在头文件里跨翻译单元提供一个实体。
命名空间作用域的 const 默认内部链接；需要一个身份时用 inline constexpr。
匿名命名空间用于每翻译单元的实现细节，不是共享全局。
内联命名空间是透明版本化，不是运行时特性。
extern 声明；定义提供存储。

最后一页讲那些含义容易被忽略的声明：条件 explicit、空基类优化、对齐、 offsetof 和 volatile。

第25.3章：存储期、链接与命名空间

1. 三个不同的问题

2. 局部 static：一个对象，只初始化一次

3. thread_local：每个线程一个对象

4. inline 变量

5. 命名空间作用域的 const 很特殊