第C++將模板實(shí)現(xiàn)放入頭文件原理解析目錄寫(xiě)在前面例子原因分析解決方案方案一方案二參考寫(xiě)在后面

寫(xiě)在前面

本文通過(guò)實(shí)例分析與講解，解釋了為什么C++一般將模板實(shí)現(xiàn)放在頭文件中。這主要與C/C++的編譯機(jī)制以及C++模板的實(shí)現(xiàn)原理相關(guān)，詳情見(jiàn)正文。同時(shí)，本文給出了不將模板實(shí)現(xiàn)放在頭文件中的解決方案。

例子

現(xiàn)有如下3個(gè)文件：

//add.h

templatetypenameT

TAdd(constTa,constT

//add.cpp

#include"add.h"

templatetypenameT

TAdd(constTa,constTb)

returna+b;

//main.cpp

#include"add.h"

#includeiostream

intmain()

intres=Addint(1,2);

std::coutres"\n";

return0;

}

現(xiàn)象

使用g++-cadd.cpp編譯生成add.o，使用g++-cmain.cpp編譯生成main.o，這兩步都沒(méi)有問(wèn)題。

使用g++-omain.exemain.oadd.o生成main.exe時(shí)，報(bào)錯(cuò)undefinedreferencetointAdd(intconst,intconst)。

當(dāng)然，直接g++add.cppmain.cpp-omain.exe肯定也會(huì)報(bào)錯(cuò)，這里把編譯和鏈接分開(kāi)是為了更好地展示與分析問(wèn)題。?

原因

出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因是：

（1）C/C++源文件是按編譯單元（translationunit）分開(kāi)、獨(dú)立編譯的。所謂translationunit，其實(shí)就是輸入給編譯器的sourcecode，只不過(guò)該sourcecode是經(jīng)過(guò)預(yù)處理（pre-processed?，包括去掉注釋、宏替換、頭文件展開(kāi)）的。在本例中，即便你使用g++add.cppmain.cpp-omain.exe，編譯器也是分別編譯add.cpp和main.cpp（注意是預(yù)處理后的）的。在編譯add.cpp時(shí)，編譯器根本感知不到main.cpp的存在，反之同理。

（2）C++模板是通過(guò)實(shí)例化(instantiation)來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)(polymorphism)的。以函數(shù)模板為例，首先需要區(qū)分函數(shù)模板和模板函數(shù)。本例中，上面代碼的第8~12行是函數(shù)模板，顧名思義，它就是一個(gè)模子，不是具體的函數(shù)，是不能運(yùn)行的；當(dāng)用具體的類(lèi)型，如int，實(shí)例化模板參數(shù)T后，會(huì)生成函數(shù)模板的一個(gè)具體實(shí)例，稱(chēng)為模板函數(shù)，這是真正可以運(yùn)行的函數(shù)。函數(shù)模板和模板函數(shù)的關(guān)系，可以類(lèi)比類(lèi)和對(duì)象的關(guān)系。以int為例，生成的實(shí)例/模板函數(shù)大概長(zhǎng)這樣（細(xì)節(jié)上肯定和編譯器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)有出入，但核心意思不會(huì)變）。

intAdd_int_int(constinta,constintb)

returna+b;

}

?對(duì)于每一個(gè)用到的具體類(lèi)型，編譯器都會(huì)生成對(duì)應(yīng)版本的實(shí)例，當(dāng)函數(shù)調(diào)用時(shí)，會(huì)調(diào)用到該實(shí)例。如用到了Addint，就會(huì)生成Add_int_int，用到了Adddouble，就會(huì)生成Add_double_double，等等。本例中，當(dāng)編譯器編譯到第20行，即intres=Addint(1,2);一句時(shí)，編譯器就會(huì)試圖生成int版本的模板實(shí)例（即模板函數(shù)）。

（3）編譯器為模板生成實(shí)例的必要條件是：1.知道模板的具體定義/實(shí)現(xiàn)；2.知道模板參數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際類(lèi)型。

分析

下面把上面兩節(jié)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)分析。

（1）當(dāng)編譯add.cpp時(shí)，相當(dāng)于編譯

templatetypenameT

TAdd(constTa,constT

templatetypenameT

TAdd(constTa,constTb)

returna+b;

}

此時(shí)編譯器雖然知道模板的具體定義，卻不知道模板參數(shù)T的具體類(lèi)型，因此不會(huì)生成任何的實(shí)例化代碼。

（2）當(dāng)編譯main.cpp時(shí)，相當(dāng)于編譯

#includeiostream

templatetypenameT

TAdd(constTa,constT

intmain()

intres=Addint(1,2);

std::coutres"\n";

return0;

}

當(dāng)編譯到intres=Addint(1,2);時(shí)，編譯器想要生成int版本的函數(shù)實(shí)例，但它找不到函數(shù)模板的具體定義（即Add的函數(shù)體），只好作罷。好在編譯器看到了函數(shù)模板的聲明，于是通過(guò)了編譯，將尋找int版本函數(shù)實(shí)例的任務(wù)留給了鏈接器。?

至此，編譯add.cpp時(shí)，只知模板定義，不知模板類(lèi)型參數(shù)，無(wú)法生成具體的函數(shù)定義；編譯main.cpp時(shí)，只知模板類(lèi)型參數(shù)，不知模板定義，同樣無(wú)法生成具體的函數(shù)定義。?

（3）沒(méi)什么好說(shuō)的，鏈接器在add.o和main.o中都沒(méi)找到int版本的Add定義，直接報(bào)錯(cuò)。?

解決方案

方案一

傳統(tǒng)方法：把模板實(shí)現(xiàn)也放在頭文件中。

//add.h

templatetypenameT

TAdd(constTa,constTb)

returna+b;

//main.cpp

#include"add.h"

#includeiostream

intmain()

intres=Addint(1,2);

std::coutres"\n";

return0;

}

當(dāng)編譯main.cpp時(shí)，相當(dāng)于編譯?

#includeiostream

templatetypenameT

TAdd(constTa,constTb)

returna+b;

intmain()

intres=Addint(1,2);

std::coutres"\n";

return0;

}

此時(shí)編譯器既知道函數(shù)模板的定義，又知道具體的模板類(lèi)型參數(shù)int，因此可以生成int版本的函數(shù)實(shí)例，不會(huì)出錯(cuò)。?

這種方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：可以按需生成。假如我們?cè)趍ain.cpp中調(diào)用了Adddouble(1.0,2.0);，編譯器就會(huì)為我們生成double版本的函數(shù)實(shí)例。缺點(diǎn)：不得不把實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)暴露給用戶(hù)。

方案二

模板聲明和定義分離的方案。?

//add.h

templatetypenameT

TAdd(constTa,constT

//add.cpp

#include"add.h"

templatetypenameT

TAdd(constTa,constTb)

returna+b;

templateintAdd(constinta,constint

//main.cpp

#include"add.h"

#includeiostream

intmain()

intres=Addint(1,2);

std::coutres"\n";

return0;

}

注意，templateintAdd(constinta,constint是函數(shù)模板實(shí)例化（functiontemplateinstantiation）[1]，template關(guān)鍵字不能省略，否則，intAdd(constinta,constint會(huì)被編譯器當(dāng)做普通函數(shù)的聲明，從而在鏈接時(shí)又會(huì)報(bào)undefinedreferencetointAdd(intconst,intconst)錯(cuò)誤。?

對(duì)于這種寫(xiě)法，編譯器在編譯add.cpp時(shí)，既能看到函數(shù)模板的定義，又能看到具體的模板類(lèi)型參數(shù)int,于是生成了int版本的函數(shù)實(shí)例，整個(gè)程序可以正常編譯運(yùn)行。?

很顯然，這種情況下編譯器只生成了int版本的函數(shù)實(shí)例，所以，在main.cpp中使用Adddouble(1.0,2.0);這樣的代碼肯定是不可以的。這種情況的優(yōu)缺點(diǎn)可以辯證看待：?

優(yōu)點(diǎn)：

1.可以隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)（我們可以把a(bǔ)dd.cpp做成.lib或.dll）；2.也可以限制只實(shí)例化特定的版本。?

缺點(diǎn)：就是只能使用特定的幾個(gè)版本，不能像方案一那樣在編譯main.cpp時(shí)根據(jù)具體的調(diào)用情況按需生成。?

從這里也可以看出，模板實(shí)現(xiàn)不一定非得放在頭文件中。

參考

[1]Functiontemplate-

[2]c++-Whycantempla