某些应用场景下，若干符号常量需要在整个代码中使用（不限于单一位置）。这些常量可以是永不改变的物理或数学常数（如 π 或阿伏伽德罗常数），也可以是应用专属的“调谐”值（如摩擦系数或重力系数）。与其在每个需要它们的文件中重复定义（违反“不要重复自己”原则），不如在单一中心位置声明，然后在任何需要的地方使用。如此，一旦需要修改，只需改动一处，即可传播到所有位置。
本课介绍实现这一目标的常见方法。
方法一：将全局常量设为内部变量（C++17 之前）
在 C++17 之前，最简单且最常用的方案如下：
- 创建一个头文件存放这些常量；
- 在该头文件中定义一个命名空间（参见《用户自定义命名空间与作用域解析运算符》）；
- 将常量全部放在该命名空间内，并确保为
constexpr； - 任何需要使用常量的文件只需
#include该头文件。
示例：
constants.h
#ifndef CONSTANTS_H
#define CONSTANTS_H
// 自定义命名空间用于存放常量
namespace constants
{
// 全局常量默认具有内部链接
constexpr double pi { 3.14159 };
constexpr double avogadro { 6.0221413e23 };
constexpr double myGravity { 9.2 }; // m/s² —— 该行星重力较小
// ……其他相关常量
}
#endif
main.cpp
#include "constants.h" // 把每个常量复制到本文件
#include <iostream>
int main()
{
std::cout << "Enter a radius: ";
double radius{};
std::cin >> radius;
std::cout << "The circumference is: " << 2 * radius * constants::pi << '\n';
return 0;
}
当此头文件被 #include 进 .cpp 文件时，其中定义的变量将在包含点被复制到该源文件。由于这些变量位于函数外，它们被视为该文件内的全局变量，因此可在文件任意位置使用。
由于 const/constexpr 全局变量默认具有内部链接，每个 .cpp 文件都会获得一份独立的变量副本，链接器无法看到它们。在绝大多数情况下，编译器会直接将 constexpr 变量优化掉。
此方案简单（且对小项目足够），但存在以下问题：
- 每当
constants.h被不同源文件包含一次，这些变量就被复制一次。若被 20 个文件包含，每个变量便重复 20 次。
头文件保护仅防止同一文件多次包含，无法阻止跨文件的一次包含。 - 修改任一常量值需重新编译所有包含该头文件的源文件，大型项目重编译耗时。
- 若常量体积较大且无法被优化消除，会占用大量内存。
优点：
- C++17 之前即可使用；
- 可在任何包含该头文件的翻译单元中用于常量表达式。
缺点：
- 头文件改动需重编译所有包含者；
- 每个翻译单元各持一份变量副本。
方法二：将全局常量设为外部变量
若需频繁修改或新增常量，上述方案可能不便。
另一种做法是把常量改为外部变量：在单一 .cpp 文件中定义（确保仅一份定义），在头文件中放置前向声明供其他文件使用。
constants.cpp
#include "constants.h"
namespace constants
{
// 使用 extern 确保具有外部链接
extern constexpr double pi { 3.14159 };
extern constexpr double avogadro { 6.0221413e23 };
extern constexpr double myGravity { 9.2 }; // m/s²
}
constants.h
#ifndef CONSTANTS_H
#define CONSTANTS_H
namespace constants
{
// 由于实际变量位于命名空间内，前向声明亦需在命名空间内
// 变量无法前向声明为 constexpr，可前向声明为（运行时）const
extern const double pi;
extern const double avogadro;
extern const double myGravity;
}
#endif
使用方式不变：
main.cpp
#include "constants.h"
#include <iostream>
int main()
{
std::cout << "Enter a radius: ";
double radius{};
std::cin >> radius;
std::cout << "The circumference is: " << 2 * radius * constants::pi << '\n';
return 0;
}
此时符号常量仅在 constants.cpp 实例化一次，所有使用均链接到该实例；修改 constants.cpp 只需重编译该文件。
然而，该方法存在以下缺点：
- 只有定义所在文件（
constants.cpp）内，这些常量才是constexpr；其他文件仅看到前向声明，无法用于常量表达式。 - 编译器无法进行与常量表达式同等程度的优化。
关键洞察
若需在编译期上下文中使用变量（如数组大小），编译器必须看到变量定义（而非仅前向声明）。
由于编译器以源文件为单位编译，.cpp 中的定义对编译 main.cpp 时不可见，因此 constexpr 变量无法拆分到头文件和源文件，必须定义于头文件。
鉴于上述缺点，推荐仍把常量定义在头文件中（见前一节或下一节）。若常量值频繁变动导致重编译耗时，可临时将相关常量移至 .cpp 文件（采用本方法）。
优点：
- C++17 之前可用；
- 每变量仅需一份实例；
- 修改常量值仅重编译一个文件。
缺点：
- 前向声明与定义需分处两文件并保持同步；
- 变量在定义文件外不可用于常量表达式。
方法三：C++17 内联变量（推荐）
7.9 课《内联函数与变量》介绍过：内联变量允许存在多份定义，只要这些定义完全一致。
将 constexpr 变量标记为 inline，即可在头文件中定义，再 #include 到任意 .cpp，既避免 ODR 违规，又消除变量重复。
提醒constexpr 函数隐式内联，但 constexpr 变量不隐式内联；若要内联 constexpr 变量，须显式添加 inline。
关键洞察
内联变量默认具有外部链接，以便链接器去重；
非内联 constexpr 变量具有内部链接，若被多文件包含，每个翻译单元各持副本，不违反 ODR（因对链接器不可见）。
constants.h
#ifndef CONSTANTS_H
#define CONSTANTS_H
// 自定义命名空间存放常量
namespace constants
{
inline constexpr double pi { 3.14159 }; // 注意：inline constexpr
inline constexpr double avogadro { 6.0221413e23 };
inline constexpr double myGravity { 9.2 }; // m/s²
// ……其他相关常量
}
#endif
main.cpp
#include "constants.h"
#include <iostream>
int main()
{
std::cout << "Enter a radius: ";
double radius{};
std::cin >> radius;
std::cout << "The circumference is: " << 2 * radius * constants::pi << '\n';
return 0;
}
可随意将 constants.h 包含进任意数量的源文件，这些变量仅实例化一次并在所有文件间共享。
本方法仍保留“头文件改动需重编译所有包含者”的缺点。
优点：
- 可在任何包含该头文件的翻译单元中用于常量表达式；
- 每变量仅需一份实例。
缺点：
- 仅 C++17 及以上支持；
- 头文件改动需重编译所有包含者。
最佳实践
若需全局常量且编译器支持 C++17，首选在头文件中定义 inline constexpr 全局变量。
提醒
对于 constexpr 字符串，请使用 std::string_view（参见 5.8 课《std::string_view 简介》）。
相关阅读
各类变量的作用域、存储期与链接属性的完整总结，参见《作用域、存储期与链接小结》。
