C++模板編譯模型

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一：傳統的編譯模型

         使用C/C++進行編程時，一般會使用標頭檔以使定義和聲明分離，並使得程式以模組方式組織。將函式宣告、類的定義放在標頭檔中，而將函數實現以及類成員函數的定義放在獨立的檔案中。

         但是對於模板來說，這種方式是行不通的，具體的例子如下：

         首先是包含模板聲明的標頭檔temp.h：

//temp.h#ifndef TEMP_H#define TEMP_Htemplate<typename T>int compare(const T &a, const T &b);template<typename T>class testtemp{public:    testtemp(const T &a):m_value(a){}    void display();private:    T   m_value;};#endif

　　  該標頭檔中包含了一個函數模板的聲明，以及一個類模板的定義。

         下面是包含模板定義的源碼檔案temp.cpp：

//temp.cpp#include <iostream>#include "temp.h"template<typename T>int compare(const T &a, const T &b){    if (a < b)  return -1;    if (b < a)  return 1;    return 0;}template <typename T> void testtemp<T>::display(){    std::cout << m_value << std::endl;}

         下面是主函數檔案main.cpp：

//main.cpp#include <iostream>#include "temp.h"int main(){    int a = 1, b = 3;    int res;    testtemp<int> tt(4);    tt.display();    res = compare(a, b);    std::cout << "res is " << res << std::endl;}

　　

         對上面的檔案編譯產生可執行檔時，會報錯：

# g++ -o main main.cpp temp.cpp/tmp/ccNwfO8x.o: In function `main‘:main.cpp:(.text+0x47): undefined reference to `testtemp<int>::display()‘main.cpp:(.text+0x5a): undefined reference to `int compare<int>(int const&, int const&)‘collect2: error: ld returned 1 exit status

　　 

         報錯的原因如下：

         C++中每一個對象所佔用的空間大小，都是在編譯的時候就確定的。在編譯階段，源碼檔案main.cpp將包含模板聲明的標頭檔temp.h包含進來之後，編譯器就需要為main.cpp中涉及到的每個對象產生合適的記憶體布局，為每個函數產生相應的指令。

         當源碼檔案main.cpp中涉及到模板類成員函數或者模板函數的調用時，因為模板函數的定義在另一個源碼檔案temp.cpp中，編譯器目前僅僅知道它們的聲明。所以，在main.cpp中調用到的的testtemp<int>::display函數，以及int compare<int>(int const&, int const&)函數，編譯器認為這些函數的實現是在其他源碼檔案中的，編譯器不會報錯，因為連接器會最終將所有的二進位檔案進行串連，從而完成符號尋找，形成一個可執行檔。

         儘管編譯器也編譯了包含模板定義的源碼檔案temp.cpp，但是該檔案僅僅是模板的定義，而並沒有真正的執行個體化出具體的函數來。因此在連結階段，編譯器進行符號尋找時，發現源碼檔案中的符號，在所有二進位檔案中都找不到相關的定義，因此就報錯了。

 

二：模板的編譯模型

         當編譯器看到模板定義的時候，它不立即產生代碼。只有在看到用到模板時，如調用了函數模板或調用了類模板的對象的時候，編譯器才產生特定類型的模板執行個體。

         一般而言，當調用函數的時候，編譯器只需要看到函數的聲明。類似地，定義類類型的對象時，類定義必須可用，但成員函數的定義不是必須存在的。因此，應該將類定義和函式宣告放在標頭檔中，而普通函數和類成員函數的定義放在源檔案中。

         模板則不同：要進行執行個體化，編譯器必須能夠訪問定義模板的原始碼。當調用函數模板或類模板的成員函數的時候，編譯器需要函數定義，需要那些通常放在源檔案中的代碼。

 

         標準 C++ 為編譯模板代碼定義了兩種模型。分別是包含編譯模型和分別編譯模型。

         所謂包含編譯模型，說白了，就是將函數模板的定義放在標頭檔中。因此，對於上面的例子，就是將temp.cpp的內容都放到temp.h中。

         包含編譯模型有個問題，如果兩個或多個單獨編譯的源檔案使用同一模板，這些編譯器將為每個檔案中的模板產生一個執行個體。因此給定模板會產生多個相同的執行個體，在連結的時候，編譯器會選擇一個執行個體化而丟棄其他的。

 

         在分別編譯模型中，編譯器會為我們跟蹤相關的模板定義。但是，我們必須讓編譯器知道要記住給定的模板定義，因此需要使用 export 關鍵字。但是，實際上很多編譯器都不支援這個關鍵字，而且C++11 將這個關鍵字設定為 unsued 和 reserved 了。

 

         所以，結論就是，把模板的定義和實現都放到標頭檔中。

 

參考：

http://gaunthan.leanote.com/post/C-%E6%A8%A1%E6%9D%BF%E7%9A%84%E7%BC%96%E8%AF%91%E6%A8%A1%E5%9E%8B

https://www.zhihu.com/question/20630104

C++模板編譯模型