函数内static constexpr变量是否无线程同步开销且编译期初始化？

问题背景 #

本问题及代码灵感来自Jason Turner的C++ Weekly节目：Stop Using constexpr (And Use This Instead!)

假设存在如下代码：

constexpr auto getArr()
{
    std::array<int,10> arr;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        arr[i] = i*2;
    } 
    return arr;
}

auto getVal(int i)
{
    static constexpr auto arr = getArr();
    return arr[i] + 1;
}

int main()
{
    return getVal(4);
}

我理解，将函数局部变量声明为static constexpr时，可保证变量仅初始化一次（static特性），且因是constexpr，无需编译器为无法证明单线程访问时添加的线程安全开销。但C++标准是否对此做出了保证？是否有标准条款可确保static constexpr auto arr = getArr();这一行不会让编译器添加互斥锁或其他线程保护机制？

Jason Turner的节目及相关Stack Overflow问题均未提及局部static变量可能带来的线程安全开销，而这正是我需要明确答案的核心点——最好能指出标准相关条款。

明确来说：我能否确定getVal()函数中的arr是在编译期初始化，且无需任何线程同步？

解答 #

你完全可以确定arr会在编译期完成初始化，且不需要任何线程同步机制，以下是C++标准中的依据：

1. 编译期初始化的保证
   根据C++17及以后的标准，constexpr变量如果满足常量表达式要求，必须在编译期完成初始化。对于局部static constexpr变量，由于getArr()是constexpr函数，且返回的std::array初始化过程完全符合常量表达式规则，arr的初始化会被编译器在编译阶段完成，不会推迟到运行时。

2. 线程安全开销的免除
   C标准中关于局部静态变量的线程安全（即“魔术静态”，C11引入）仅适用于需要在运行时初始化的静态变量。而static constexpr变量属于常量初始化（constant initialization），是静态初始化的一种，完全在编译/链接阶段完成，不参与动态初始化流程，因此不受动态初始化线程安全规则的约束，自然不会产生任何线程同步开销。

具体可参考C++标准的[basic.start.dynamic]条款：动态初始化的对象才会涉及线程安全的初始化保证，而常量初始化的对象不涉及运行时的初始化竞争，所以编译器没有理由为其添加互斥锁等线程保护机制。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者cptFracassa