為什么C++編譯器不能支持對(duì)模板的分離式編譯
劉未鵬(pongba) /文
首先，C++標(biāo)準(zhǔn)中提到，一個(gè)編譯單元[translation
unit]是指一個(gè).cpp文件以及它所include的所有.h文件，.h文件里的代碼將會(huì)被擴(kuò)展到包含它的.cpp文件里，然后編譯器編譯該.cpp
文件為一個(gè).obj文件，后者擁有PE[Portable
Executable,即windows可執(zhí)行文件]文件格式，并且本身包含的就已經(jīng)是二進(jìn)制碼，但是，不一定能夠執(zhí)行，因?yàn)椴⒉槐ＷC其中一定有main
函數(shù)。當(dāng)編譯器將一個(gè)工程里的所有.cpp文件以分離的方式編譯完畢后，再由連接器(linker)進(jìn)行連接成為一個(gè).exe文件。
舉個(gè)例子：
//---------------test.h-------------------//
void f();//這里聲明一個(gè)函數(shù)f
//---------------test.cpp--------------//
＃i nclude”test.h”
void f()
{
…//do something
} //這里實(shí)現(xiàn)出test.h中聲明的f函數(shù)
//---------------main.cpp--------------//
＃i nclude”test.h”
int main()
{
f(); //調(diào)用f，f具有外部連接類(lèi)型
}
在
這個(gè)例子中，test.
cpp和main.cpp各被編譯成為不同的.obj文件[姑且命名為test.obj和main.obj]，在main.cpp中，調(diào)用了f函數(shù)，然而
當(dāng)編譯器編譯main.cpp時(shí)，它所僅僅知道的只是main.cpp中所包含的test.h文件中的一個(gè)關(guān)于void
f();的聲明，所以，編譯器將這里的f看作外部連接類(lèi)型，即認(rèn)為它的函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼在另一個(gè).obj文件中，本例也就是test.obj，也就是
說(shuō)，main.obj中實(shí)際沒(méi)有關(guān)于f函數(shù)的哪怕一行二進(jìn)制代碼，而這些代碼實(shí)際存在于test.cpp所編譯成的test.obj中。在
main.obj中對(duì)f的調(diào)用只會(huì)生成一行call指令，像這樣：
call f [C++中這個(gè)名字當(dāng)然是經(jīng)過(guò)mangling[處理]過(guò)的]
在
編譯時(shí)，這個(gè)call指令顯然是錯(cuò)誤的，因?yàn)閙ain.obj中并無(wú)一行f的實(shí)現(xiàn)代碼。那怎么辦呢？這就是連接器的任務(wù)，連接器負(fù)責(zé)在其它的.obj中
[本例為test.obj]尋找f的實(shí)現(xiàn)代碼，找到以后將call
f這個(gè)指令的調(diào)用地址換成實(shí)際的f的函數(shù)進(jìn)入點(diǎn)地址。需要注意的是：連接器實(shí)際上將工程里的.obj“連接”成了一個(gè).exe文件，而它最關(guān)鍵的任務(wù)就是
上面說(shuō)的，尋找一個(gè)外部連接符號(hào)在另一個(gè).obj中的地址，然后替換原來(lái)的“虛假”地址。
這個(gè)過(guò)程如果說(shuō)的更深入就是：
call f這行指令其實(shí)并不是這樣的，它實(shí)際上是所謂的stub，也就是一個(gè)
jmp
0x23423[這個(gè)地址可能是任意的，然而關(guān)鍵是這個(gè)地址上有一行指令來(lái)進(jìn)行真正的call
f動(dòng)作。也就是說(shuō)，這個(gè).obj文件里面所有對(duì)f的調(diào)用都jmp向同一個(gè)地址，在后者那兒才真正”call”f。這樣做的好處就是連接器修改地址時(shí)只要對(duì)
后者的call
XXX地址作改動(dòng)就行了。但是，連接器是如何找到f的實(shí)際地址的呢[在本例中這處于test.obj中]，因?yàn)?obj于.exe的格式都是一樣的，在這
樣的文件中有一個(gè)符號(hào)導(dǎo)入表和符號(hào)導(dǎo)出表[import table和export
table]其中將所有符號(hào)和它們的地址關(guān)聯(lián)起來(lái)。這樣連接器只要在test.obj的符號(hào)導(dǎo)出表中尋找符號(hào)f[當(dāng)然C++對(duì)f作了mangling]的
地址就行了，然后作一些偏移量處理后[因?yàn)槭菍蓚€(gè).obj文件合并，當(dāng)然地址會(huì)有一定的偏移，這個(gè)連接器清楚]寫(xiě)入main.obj中的符號(hào)導(dǎo)入表中f
所占有的那一項(xiàng)。
這就是大概的過(guò)程。其中關(guān)鍵就是：
編譯main.cpp時(shí)，編譯器不知道f的實(shí)現(xiàn)，所有當(dāng)碰到對(duì)它的調(diào)用時(shí)只是給出一個(gè)指示，指示連接器應(yīng)該為它尋找f的實(shí)現(xiàn)體。這也就是說(shuō)main.obj中沒(méi)有關(guān)于f的任何一行二進(jìn)制代碼。
編譯test.cpp時(shí)，編譯器找到了f的實(shí)現(xiàn)。于是乎f的實(shí)現(xiàn)[二進(jìn)制代碼]出現(xiàn)在test.obj里。
連接時(shí)，連接器在test.obj中找到f的實(shí)現(xiàn)代碼[二進(jìn)制]的地址[通過(guò)符號(hào)導(dǎo)出表]。然后將main.obj中懸而未決的call XXX地址改成f實(shí)際的地址。
完成。
然而，對(duì)于模板，你知道，模板函數(shù)的代碼其實(shí)并不能直接編譯成二進(jìn)制代碼，其中要有一個(gè)“具現(xiàn)化”的過(guò)程。舉個(gè)例子：
//----------main.cpp------//
template<class T>
void f(T t)
{}
int main()
{
…//do something
f(10); //call f<int> 編譯器在這里決定給f一個(gè)f<int>的具現(xiàn)體
…//do other thing
}
也就是說(shuō)，如果你在main.cpp文件中沒(méi)有調(diào)用過(guò)f，f也就得不到具現(xiàn)，從而main.obj中也就沒(méi)有關(guān)于f的任意一行二進(jìn)制代碼！！如果你這樣調(diào)用了：
f(10); //f<int>得以具現(xiàn)化出來(lái)
f(10.0); //f<double>得以具現(xiàn)化出來(lái)
這樣main.obj中也就有了f<int>,f<double>兩個(gè)函數(shù)的二進(jìn)制代碼段。以此類(lèi)推。
然而具現(xiàn)化要求編譯器知道模板的定義，不是嗎？
看下面的例子：[將模板和它的實(shí)現(xiàn)分離]
//-------------test.h----------------//
template<class T>
class A
{
public:
void f(); //這里只是個(gè)聲明
};
//---------------test.cpp-------------//
＃i nclude”test.h”
template<class T>
void A<T>::f() //模板的實(shí)現(xiàn)，但注意：不是具現(xiàn)
{
…//do something
}
//---------------main.cpp---------------//
＃i nclude”test.h”
int main()
{
A<int> a;
a. f(); //編譯器在這里并不知道A<int>::f的定義，因?yàn)樗辉趖est.h里面
//于是編譯器只好寄希望于連接器，希望它能夠在其他.obj里面找到
//A<int>::f的實(shí)現(xiàn)體,在本例中就是test.obj，然而，后者中真有A<int>::f的
//二進(jìn)制代碼嗎？NO！！！因?yàn)镃++標(biāo)準(zhǔn)明確表示，當(dāng)一個(gè)模板不被用到的時(shí)
//侯它就不該被具現(xiàn)出來(lái)，test.cpp中用到了A<int>::f了嗎？沒(méi)有！！所以實(shí)
//際上test.cpp編譯出來(lái)的test.obj文件中關(guān)于A::f的一行二進(jìn)制代碼也沒(méi)有
//于是連接器就傻眼了，只好給出一個(gè)連接錯(cuò)誤
//
但是，如果在test.cpp中寫(xiě)一個(gè)函數(shù)，其中調(diào)用A<int>::f，則編譯器會(huì)將其//具現(xiàn)出來(lái)，因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn)上[test.cpp
中]，編譯器知道模板的定義，所以能//夠具現(xiàn)化，于是，test.obj的符號(hào)導(dǎo)出表中就有了A<int>::f這個(gè)符號(hào)的地
//址，于是連接器就能夠完成任務(wù)。
}
關(guān)鍵是：在分離式編譯的環(huán)境下，編譯器編譯某一個(gè).cpp文件時(shí)并不知道另一個(gè).cpp文件的存在，也不會(huì)去查找[當(dāng)遇到未決符號(hào)時(shí)它會(huì)寄希望于連
接器]。這種模式在沒(méi)有模板的情況下運(yùn)行良好，但遇到模板時(shí)就傻眼了，因?yàn)槟０鍍H在需要的時(shí)候才會(huì)具現(xiàn)化出來(lái)，所以，當(dāng)編譯器只看到模板的聲明時(shí)，它不能
具現(xiàn)化該模板，只能創(chuàng)建一個(gè)具有外部連接的符號(hào)并期待連接器能夠?qū)⒎?hào)的地址決議出來(lái)。然而當(dāng)實(shí)現(xiàn)該模板的.cpp文件中沒(méi)有用到模板的具現(xiàn)體時(shí)，編譯器
懶得去具現(xiàn)，所以，整個(gè)工程的.obj中就找不到一行模板具現(xiàn)體的二進(jìn)制代碼，于是連接器也黔
/////////////////////////////////
http://dev.csdn.net/develop/article/19/19587.shtm
C++模板代碼的組織方式 ——包含模式（Inclusion Model） 選擇自 sam1111 的 Blog
關(guān)鍵字 Template Inclusion Model
出處 C++ Template: The Complete Guide
說(shuō)明：本文譯自《C++ Template: The Complete Guide》一書(shū)的第6章中的部分內(nèi)容。最近看到C++論壇上常有關(guān)于模板的包含模式的帖子，聯(lián)想到自己初學(xué)模板時(shí)，也為類(lèi)似的問(wèn)題困惑過(guò)，因此翻譯此文，希望對(duì)初學(xué)者有所幫助。
模板代碼有幾種不同的組織方式，本文介紹其中最流行的一種方式：包含模式。
鏈接錯(cuò)誤
大多數(shù)C/C++程序員向下面這樣組織他們的非模板代碼：
·類(lèi)和其他類(lèi)型全部放在頭文件中，這些頭文件具有.hpp（或者.H, .h, .hh, .hxx）擴(kuò)展名。
·對(duì)于全局變量和（非內(nèi)聯(lián)）函數(shù)，只有聲明放在頭文件中，而定義放在點(diǎn)C文件中，這些文件具有.cpp（或者.C, .c, .cc, .cxx）擴(kuò)展名。
這種組織方式工作的很好：它使得在編程時(shí)可以方便地訪(fǎng)問(wèn)所需的類(lèi)型定義，并且避免了來(lái)自鏈接器的“變量或函數(shù)重復(fù)定義”的錯(cuò)誤。
由于以上組織方式約定的影響，模板編程新手往往會(huì)犯一個(gè)同樣的錯(cuò)誤。下面這一小段程序反映了這種錯(cuò)誤。就像對(duì)待“普通代碼”那樣，我們?cè)陬^文件中定義模板：
// basics/myfirst.hpp
#ifndef MYFIRST_HPP
#define MYFIRST_HPP
// declaration of template
template <typename T>
void print_typeof (T const&);
#endif // MYFIRST_HPP
print_typeof()聲明了一個(gè)簡(jiǎn)單的輔助函數(shù)用來(lái)打印一些類(lèi)型信息。函數(shù)的定義放在點(diǎn)C文件中：
// basics/myfirst.cpp
＃i nclude <iostream>
＃i nclude <typeinfo>
＃i nclude "myfirst.hpp"
// implementation/definition of template
template <typename T>
void print_typeof (T const& x)
{
std::cout << typeid(x).name() << std::endl;
}
這個(gè)例子使用typeid操作符來(lái)打印一個(gè)字符串，這個(gè)字符串描述了傳入的參數(shù)的類(lèi)型信息。
最后，我們?cè)诹硗庖粋€(gè)點(diǎn)C文件中使用我們的模板，在這個(gè)文件中模板聲明被＃i nclude：
// basics/myfirstmain.cpp
＃i nclude "myfirst.hpp"
// use of the template
int main()
{
double ice = 3.0;
print_typeof(ice); // call function template for type double
}
大部分C++編譯器（Compiler）很可能會(huì)接受這個(gè)程序，沒(méi)有任何問(wèn)題，但是鏈接器（Linker）大概會(huì)報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤，指出缺少函數(shù)print_typeof()的定義。
這個(gè)錯(cuò)誤的原因在于，模板函數(shù)print_typeof()的定義還沒(méi)有被具現(xiàn)化（instantiate）。為了具現(xiàn)化一個(gè)模板，編譯器必須知道
哪一個(gè)定義應(yīng)該被具現(xiàn)化，以及使用什么樣的模板參數(shù)來(lái)具現(xiàn)化。不幸的是，在前面的例子中，這兩組信息存在于分開(kāi)編譯的不同文件中。因此，當(dāng)我們的編譯器看
到對(duì)print_typeof()的調(diào)用，但是沒(méi)有看到此函數(shù)為double類(lèi)型具現(xiàn)化的定義時(shí)，它只是假設(shè)這樣的定義在別處提供，并且創(chuàng)建一個(gè)那個(gè)定義
的引用（鏈接器使用此引用解析）。另一方面，當(dāng)編譯器處理myfirst.cpp時(shí)，該文件并沒(méi)有任何指示表明它必須為它所包含的特殊參數(shù)具現(xiàn)化模板定
義。
頭文件中的模板
解決上面這個(gè)問(wèn)題的通用解法是，采用與我們使用宏或者內(nèi)聯(lián)函數(shù)相同的方法：我們將模板的定義包含進(jìn)聲明模板的頭文件中。對(duì)于我們的例子，我們可以通
過(guò)將＃i nclude
"myfirst.cpp"添加到myfirst.hpp文件尾部，或者在每一個(gè)使用我們的模板的點(diǎn)C文件中包含myfirst.cpp文件，來(lái)達(dá)到目
的。當(dāng)然，還有第三種方法，就是刪掉myfirst.cpp文件，并重寫(xiě)myfirst.hpp文件，使它包含所有的模板聲明與定義：
// basics/myfirst2.hpp
#ifndef MYFIRST_HPP
#define MYFIRST_HPP
＃i nclude <iostream>
＃i nclude <typeinfo>
// declaration of template
template <typename T>
void print_typeof (T const&);
// implementation/definition of template
template <typename T>
void print_typeof (T const& x)
{
std::cout << typeid(x).name() << std::endl;
}
#endif // MYFIRST_HPP
這種組織模板代碼的方式就稱(chēng)作包含模式。經(jīng)過(guò)這樣的調(diào)整，你會(huì)發(fā)現(xiàn)我們的程序已經(jīng)能夠正確編譯、鏈接、執(zhí)行了。
從這個(gè)方法中我們可以得到一些觀察結(jié)果。最值得注意的一點(diǎn)是，這個(gè)方法在相當(dāng)程度上增加了包含myfirst.hpp的開(kāi)銷(xiāo)。在這個(gè)例子中，這種開(kāi)
銷(xiāo)并不是由模板定義自身的尺寸引起的，而是由這樣一個(gè)事實(shí)引起的，即我們必須包含我們的模板用到的頭文件，在這個(gè)例子中
是<iostream>和<typeinfo>。你會(huì)發(fā)現(xiàn)這最終導(dǎo)致了成千上萬(wàn)行的代碼，因?yàn)橹T
如<iostream>這樣的頭文件也包含了和我們類(lèi)似的模板定義。
這在實(shí)踐中確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗黾恿司幾g器在編譯一個(gè)實(shí)際程序時(shí)所需的時(shí)間。我們因此會(huì)在以后的章節(jié)中驗(yàn)證其他一些可能的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但無(wú)論如何，現(xiàn)實(shí)世界中的程序花一小時(shí)來(lái)編譯鏈接已經(jīng)是快的了（我們?cè)?jīng)遇到過(guò)花費(fèi)數(shù)天時(shí)間來(lái)從源碼編譯的程序）。
拋開(kāi)編譯時(shí)間不談，我們強(qiáng)烈建議如果可能盡量按照包含模式組織模板代碼。
另一個(gè)觀察結(jié)果是，非內(nèi)聯(lián)模板函數(shù)與內(nèi)聯(lián)函數(shù)和宏的最重要的不同在于：它并不會(huì)在調(diào)用端展開(kāi)。相反，當(dāng)模板函數(shù)被具現(xiàn)化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生此函數(shù)的一個(gè)新的
拷貝。由于這是一個(gè)自動(dòng)的過(guò)程，編譯器也許會(huì)在不同的文件中產(chǎn)生兩個(gè)相同的拷貝，從而引起鏈接器報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤。理論上，我們并不關(guān)心這一點(diǎn)：這是編譯器設(shè)
計(jì)者應(yīng)當(dāng)關(guān)心的事情。實(shí)際上，大多數(shù)時(shí)候一切都運(yùn)轉(zhuǎn)正常，我們根本就不用處理這種狀況。然而，對(duì)于那些需要?jiǎng)?chuàng)建自己的庫(kù)的大型項(xiàng)目，這個(gè)問(wèn)題偶爾會(huì)顯現(xiàn)出
來(lái)。
最后，需要指出的是，在我們的例子中，應(yīng)用于普通模板函數(shù)的方法同樣適用于模板類(lèi)的成員函數(shù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)成員，以及模板成員函數(shù)。