C++内部链接详解与static/const/constexpr用法

什么是内部链接？

在《局部变量》中，我们指出：“标识符的链接属性决定了同名的其他声明是否指向同一实体”，并阐明局部变量不具有链接属性。
全局变量和函数标识符则可具有内部链接或外部链接。本节讨论内部链接，外部链接将在《外部链接与变量前向声明》中介绍。

具有内部链接的标识符可在单个翻译单元内被查看和使用，但对其他翻译单元不可见。这意味着，若两个源文件各自含有同名且均具有内部链接的标识符，它们将被视为独立实体，不会触发“一次定义规则”（ODR）冲突。

关键洞察
具有内部链接的标识符可能对链接器完全不可见；也可能可见，但被标记为“仅限当前翻译单元”。

相关阅读
翻译单元的概念见《预处理器简介》。

具有内部链接的全局变量

具有内部链接的全局变量常被称为内部变量。
要使非常量全局变量具有内部链接，需使用 static 关键字：

#include <iostream>

static int g_x {};       // 非常量全局变量默认具有外部链接，可用 static 显式改为内部链接
const int g_y { 1 };     // const 全局变量默认具有内部链接
constexpr int g_z { 2 }; // constexpr 全局变量默认具有内部链接

const 与 constexpr 全局变量默认即为内部链接，无需再写 static；若额外添加 static，将被忽略。

多文件示例

a.cpp

[[maybe_unused]] constexpr int g_x { 2 }; // 仅在 a.cpp 可见的内部 g_x

main.cpp

#include <iostream>

static int g_x { 3 }; // 仅在 main.cpp 可见的内部 g_x

int main()
{
    std::cout << g_x << '\n'; // 使用 main.cpp 的 g_x，输出 3
    return 0;
}

程序输出：

由于 g_x 在每个文件中均为内部链接，main.cpp 并不知道 a.cpp 也存在同名变量，反之亦然。

存储类说明符与链接属性

上述 static 用法属于存储类说明符（storage class specifier），它同时设定标识符的链接属性及存储期。常见的存储类说明符包括 static、extern 和 mutable，该术语多见于技术文档。

C++11 标准附录 C 解释了为何 const 变量默认内部链接：

“由于 const 对象在 C++ 中可作为编译期常量使用，该特性促使程序员为每个 const 提供显式初始化值。这使得 const 对象能够放在被多个编译单元包含的头文件中，而不会违反 ODR。”

设计目标：

const 对象需能用于常量表达式，故编译器必须在编译期看到其定义而非仅声明；
const 对象需能通过头文件传播。

若默认外部链接，const 对象只能在定义所在翻译单元用于常量表达式；且头文件被多个源文件包含时会触发 ODR 冲突。内部链接允许每个翻译单元拥有独立定义，既满足常量表达式需求，又避免冲突。
直到 C++17 引入 inline 变量，才可在无 ODR 风险的前提下实现外部链接的常量。

具有内部链接的函数

函数标识符同样具有链接属性。函数默认为外部链接，但可用 static 设为内部链接：

add.cpp

// static 函数仅在本文件可见，其他文件无法通过前向声明调用
[[maybe_unused]] static int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

main.cpp

#include <iostream>

int add(int x, int y); // 对 add 的前向声明

int main()
{
    std::cout << add(3, 4) << '\n';
    return 0;
}

该程序无法链接，因为 add 在 add.cpp 中为内部链接，其他文件不可访问。

一次定义规则（ODR）与内部链接

2.7 课指出，同一程序中对象或函数不得有多于一个定义。
然而，定义在不同文件中的内部对象（或函数）被视为独立实体（即使名字和类型相同），故不违反 ODR。每个内部对象仅有一个定义。

static 与匿名命名空间

在现代 C++ 中，使用 static 提供内部链接的做法已逐渐失宠。匿名命名空间可为更广泛类别的标识符（如类型名）赋予内部链接，且更适于批量声明。
匿名命名空间将在《匿名与内联命名空间》中讨论。

为何使用内部链接？

通常有两个理由：

防止标识符被其他文件访问（如保护全局变量或隐藏辅助函数）；
严格避免命名冲突——内部链接标识符仅能在同一翻译单元内冲突，不会扩散到整个程序。

多数现代开发规范建议：凡不打算供外部使用的变量与函数均应具有内部链接（推荐使用匿名命名空间）。若你具备相应规范执行力，这是良好实践。

当前建议
至少应给明确不希望被外部使用的标识符赋予内部链接；理想情况下，给所有此类标识符加上内部链接（使用匿名命名空间实现）。

最佳实践
当存在明确理由阻止外部访问时，为标识符赋予内部链接。
考虑为所有不对外暴露的标识符统一使用内部链接（通过匿名命名空间实现）。

快速小结

// 内部全局变量定义
static int g_x;           // 未显式初始化，默认零初始化
static int g_x { 1 };     // 显式初始化

const int g_y { 2 };      // const 变量默认内部链接
constexpr int g_y { 3 };  // constexpr 变量默认内部链接

// 内部函数定义
static int foo() {};      // 内部链接函数

完整总结见《作用域、存储期与链接小结》。