在类中静态常量 ODR

Question

staticconst 成员的类内初始化让我有点困惑。例如，在下面的代码中：

#include <iostream>

struct Foo
{
    const static int n = 42;
};

// const int Foo::n; // No ODR

void f(const int& param)
{
    std::cout << param << std::endl;
}

int g(const int& param)
{
    return param;
}

template<int N>
void h()
{
    std::cout << N << std::endl;
}

int main()
{
    // f(Foo::n); // linker error, both g++/clang++
    std::cout << g(Foo::n) << std::endl; // OK in g++ only with -O(1,2 or 3) flag, why?!
    h<Foo::n>(); // this should be fine
}

Live example

我没有定义Foo::n（该行已注释）。所以，我希望调用f(Foo::n) 在链接时失败，确实如此。但是，每当我使用诸如-O1/2/3 之类的优化标志时，以下行std::cout << g(Foo::n) << std::endl; 只能通过gcc 编译和链接（clang 仍然会发出链接器错误）。

1. 为什么 gcc（用 gcc5.2.0 和 gcc 4.9.3 尝试过）在优化开启时编译并链接代码？
2. 我是否正确地说类内静态 const 成员的唯一用途是在常量表达式中，例如 h<Foo::n> 调用中的模板参数，在这种情况下代码应该链接？

Answer 1

ODR 违规不需要诊断，来自草案 C++ 标准标准部分 3.2 [basic.def.odr]（强调我的未来）：

每个程序都应该包含每个非内联的定义 在该程序中使用 odr 的函数或变量； 无诊断 必需。

因此，不同优化级别的不一致行为是完全一致的行为。

非正式的变量是odr-used 如果：

它的地址被占用，或者一个引用被绑定到它，如果一个函数被调用或者它的地址被占用，一个函数就是odr-used。如果一个对象或一个函数被odr-used，它的定义必须存在于程序的某个地方；违反此规定是链接时错误。

所以f 和g 都是odr-uses 并且需要定义。

关于 odr-use 的相关 C++14 引用来自 [basic.def.odr] 部分：

名称显示为潜在求值表达式 ex 的变量 x 被 ex 使用，除非应用 左值到右值的转换（4.1）到 x 产生一个常量表达式（5.19），它不会调用任何非平凡的 函数，并且，如果 x 是一个对象，ex 是表达式 e 的潜在结果集合中的一个元素， 其中左值到右值转换 (4.1) 应用于 e，或者 e 是丢弃值表达式 [...]

C++11 中的措辞类似，C++11 到 C++14 的变化体现在defect report 712。

在 C++11 之前是a bit more complicated but in principle the same for this case。

Answer 2

根本没有定义。 GCC 4.9.2 不会编译并将其与任何标志链接。

请注意：

const static int n = 42;

是一个声明和初始化器，但不是一个定义。

Answer 3

正式而言，ODR 违规是未定义的行为，因此编译器可能会表现出它喜欢的任何行为。这就是行为随着优化级别和编译器而变化的原因——编译器没有义务维护特定的行为。

Answer 4

我假设编译器在优化过程中执行了以下操作：

• 值const static int n 到处内联。没有为变量n 分配内存，对它的引用变得无效。函数f() 需要引用n 所以程序不会被编译。

• 函数g 很简短。它被有效地内联和优化。优化后g函数不需要引用n，它只返回常量值42。

解决办法是在类外定义变量：

struct Foo
{
    const static int n;
};

const int Foo::n = 42;