最近在看標準庫裡的type_traits的時候發現了個有趣的地方，幾乎所有在標準庫裡的變數模板都是inline的！
不僅常見的實現上（libstdc++、libc++、ms stl）都是inline的，標準裡給的形式定義也是inline的。
比如微軟開源的stl實現：https://github.com/microsoft/STL/blob/main/stl/inc/type_traits
_EXPORT_STD template <class _Trait>
_INLINE_VAR constexpr bool negation_v = negation<_Trait>::value;
_EXPORT_STD template <class _Ty>
_INLINE_VAR constexpr bool is_void_v = is_same_v<remove_cv_t<_Ty>, void>;
其中_INLINE_VAR這個宏的實現在這裡:
// P0607R0 Inline Variables For The STL
#if _HAS_CXX17
#define _INLINE_VAR inline
#else // _HAS_CXX17
#define _INLINE_VAR
#endif // _HAS_CXX17
可以看到如果編譯器支援c++17的話這些模板變數就是inline的。
為什麼要這樣做呢？如果不使用inline又會要什麼後果呢？帶著這些疑問我們接著往下看。
首先複習下c++的linkage，國內一般會翻譯成「連結性」。因為篇幅有限，所以我們不關注「無連結」、「語言連結」和「模組連結」，只關注內部連結和外部連結這兩個。
內部連結（internal linkage）：符號（粗暴得理解成變數，函數，類等等有名字的東西）僅僅在當前編譯單元內部可見，不同編譯單元之間可以存在同名的符號，他們是不同實體。
看個例子：
// value.h
static int a = 1;
// a.cpp
#include "value.h"
void f() {
std::cout << "f() address of a: " << &a << "\n";
}
// b.cpp
#include "value.h"
void g() {
std::cout << "g() address of a: " << &a << "\n";
}
// main.cpp
void f();
void g();
int main() {
f();
g();
}
注意，不要像上面那樣寫程式碼，尤其是把具有內部連結的非常數變數寫在標頭檔案裡。編譯並執行：
$ g++ -Wall -Wextra a.cpp b.cpp main.cpp
$ ./a.out
f() address of a: 0x564b7892e004
g() address of a: 0x564b7892e01c
可以看到確實有兩個不同的實體存在。內部連結最大的好處在於可以實現一定程度上的隔離，但缺點是要付出生成檔案體積和執行時記憶體上的代價，且不如名稱空間和模組好使。
這個例子可能看不出，因為只有兩個編譯單元用了這個模板變數，所以只浪費了一個size_t的記憶體，在我的機器上是8位元組。但專案裡往往有成百上千甚至上萬個編譯單元，而且使用的模板變數不止一個，那麼浪費的資源就很可觀了。
外部連結（external linkage）：符號可以被所以編譯單元看見，且只能被定義一次。
例子：
// value.h
// extern int a = 1; 這麼寫是宣告的同時定義了a，在標頭檔案裡這麼幹會導致a重複定義
extern int a;
// a.cpp
#include "value.h"
int a = 1; // 隨便在哪定義都行
void f() {
std::cout << "f() address of a: " << &a << "\n";
}
// b.cpp
#include "value.h"
void g() {
std::cout << "g() address of a: " << &a << "\n";
}
// main.cpp
void f();
void g();
int main() {
f();
g();
}
編譯並執行：
$ g++ -Wall -Wextra a.cpp b.cpp main.cpp
$ ./a.out
f() address of a: 0x55f5825f8040
g() address of a: 0x55f5825f8040
可以看到這時候就只有一個實體了。
那麼什麼樣的東西會有內部連結，什麼又有外部連結呢？
內部連結：所有匿名名稱空間裡的東西（哪怕宣告成extern） + 標記成static的變數、變數模板、函數、函數模板 + 不是模板不是inline沒有volatile或extern修飾的常數（const和constexpr）。
外部連結：非static函數、列舉和類天生有外部連結，除非在匿名名稱空間裡 + 排除內部連結規定的之後剩下的所有模板
說了半天，這和標準庫用inline變數有什麼關係嗎？
還真有，因為內部連結最後一條規則那裡的「非模板和非內聯」是c++17才加入的，而模板變數c++14就有了，所以一個很麻煩的問題出現了：
template <typename T>
constexpr bool is_void_t = is_void<T>::value;
在這裡is_void_t按照c++14的規則，可以是內部連結的。這樣有什麼問題？一般來說問題不大，編譯器會盡可能把常數全部優化掉，但在這個常數被ODR-used（比如取地址或者繫結給函數的參照引數），這個常數就沒法直接優化掉了，編譯器只能乖乖地生產兩個is_void_t的範例。而且這個is_void_t必須是常數，否則可以任意修改它的值，以及不是編譯期常數的話沒法在其他的模板裡使用。
另一個問題在於，c++14忘記更新ODR原則的定義，漏了變數模板，雖然g++上變數模板和其他模板一樣可以存在多次定義，但因為標準裡沒給出具體說法所以存在很大的風險。
c++社群最喜歡的一句格言是：「Don't pay for what you don't use.」
所以c++17的一個提案在增加了inline變數之後建議標準庫裡把模板變數和static constexpr都改為inline constexpr：https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2017/p0607r0.html。
為什麼提案里加上inline就能解決問題了呢？這就要了解下inline變數會帶來什麼了。
inline在c++裡的意義比起內聯，更確切的是允許某個object（這裡不是物件導向那個object）被定義多次。但前提是每個定義都必須是相同的，且在需要這個object的地方必須要能看到它的完整定義，否則是未定義行為。
對於這樣允許多次定義的東西，連結器最後會選擇其中一個定義生成真正的實體變數/類/函數。這就是為什麼所以定義都必須一樣的原因。
看例子：
// value.h
// 例子，Size返回sizeof的值
template <typename T>
struct Size {
static_assert(!std::is_same_v<T, void>, "can not be void");
static constexpr std::size_t value = sizeof(T);
};
// 注意這裡
template <typename T>
inline constexpr std::size_t size_v = Size<T>::value;
// a.cpp
#include "value.h"
void f() {
std::cout << "f() address of size_v: " << &size_v<int> << "\n";
}
// b.cpp
#include "value.h"
void g() {
std::cout << "g() address of a: " << &size_v<int> << "\n";
}
// main.cpp
void f();
void g();
int main() {
f();
g();
}
編譯並執行：
$ g++ -Wall -Wextra a.cpp b.cpp main.cpp
$ ./a.out
f() address of a: 0x5615acde601c
g() address of a: 0x5615acde601c
只存在一個實體，看符號表的話也只有一個size_v。
這樣其實就上一節說到的所有問題：
當然這些只是inline變數帶來的附加優點，真正讓c++加入這一特性的原因因為篇幅這裡就不詳細展開了，有興趣可以深入瞭解哦。
這話只對了一半。
因為constexpr只對函數和靜態成員變數產生隱式的inline。
如果你給一個正常的有namespace scope（在檔案作用域或者namespace裡）變數加上constexpr，它只有const和編譯期計算兩個效果。
所以只加constexpr是沒用的。
既然新標準補全了ODR規則，那我可以不再給模板變數加上inline嗎？
我們把上上節的例子裡的inline去掉：
// value.h
// 例子，Size返回sizeof的值
template <typename T>
struct Size {
static_assert(!std::is_same_v<T, void>, "can not be void");
static constexpr std::size_t value = sizeof(T);
};
// 注意這裡
template <typename T>
constexpr std::size_t size_v = Size<T>::value;
// a.cpp
#include "value.h"
void f() {
std::cout << "f() address of size_v: " << &size_v<int> << "\n";
}
// b.cpp
#include "value.h"
void g() {
std::cout << "g() address of a: " << &size_v<int> << "\n";
}
// main.cpp
void f();
void g();
int main() {
f();
g();
}
編譯並執行：
$ g++ -Wall -Wextra -std=c++20 a.cpp b.cpp main.cpp
$ ./a.out
f() address of a: 0x55fb0cfeb020
g() address of a: 0x55fb0cfeb010
這時候結果很有意思，g++12.2.0在生成的二進位制上仍然表現的像是產生了內部連結，而clang14.0.5則和標準描述的一致，產生的結果是正常的：
$ clang++ -Wall -Wextra -std=c++20 a.cpp b.cpp main.cpp
$ ./a.out
f() address of a: 0x56184ee30008
g() address of a: 0x56184ee30008
更有意思的在於，如果我把size_v的constexpr去掉，那麼size_v就會表現成正常的外部連結：
// 注意這裡
template <typename T>
std::size_t size_v = Size<T>::value;
$ g++ -Wall -Wextra -std=c++20 a.cpp b.cpp main.cpp
$ ./a.out
f() address of a: 0x5586c90ef038
g() address of a: 0x5586c90ef038
所以看上去g++在判斷是否是內部連結的規則上沒有遵照c++17標準（還記得老版的標準嗎，非inline的constexpr模板變數會被認為具有內部連結），暫時沒有進一步去查證，所以沒法確定這是g++自己的特性還是單純只是bug。
如果指定inline，兩者的結果是一致的。
所以我不加inline會有什麼後果:
所以結論顯而易見，有條件的話最好始終給模板變數加上inline。這樣不管你在用c++17還是c++20，編譯器是GCC還是clang，程式的行為都是符合標準的可預期的。
c++是一門很麻煩的語言，為了弄清楚別人為什麼要用某個關鍵字就得大費周折，還需要許多前置知識作為鋪墊。
換回這次的話題，標準庫的實現和標準定義裡給模板變數加inline最大的原因是因為幾個歷史遺留問題和標準自己的疏漏，當然加上去之後也沒什麼壞處。
這也更說明了在c++裡真的沒有什麼銀彈，某個特性需不需要用得結合自己的知識、經驗還有實際情況來決定，別人的例子最多也只能作為一種參考，也許對於他來說合適的對你來說就是不切實際的，依葫蘆畫瓢前得三思。
這也算是c++的黑暗面之一吧。。。
https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2017/p0607r0.html
https://stackoverflow.com/questions/65521040/global-variables-and-constexpr-inline-or-not