旅途

前兩天遇到一個問題, 第一反應是用模板類來解決是最好的,所以就動手寫了一個類.
但寫完才發現會在編譯器鏈接的時候報錯,百思不得其解,上網一頓搜羅,發現下文,終于解決了我的問題.同時我也對模板類有了進一步的理解.

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前言
常遇到詢問使用模板到底是否容易的問題，我的回答是：“模板的使用是容易的，但組織編寫卻不容易”。看看我們幾乎每天都能遇到的模板類吧，如STL, ATL, WTL, 以及Boost的模板類，都能體會到這樣的滋味：接口簡單，操作復雜。

我在5年前開始使用模板，那時我看到了MFC的容器類。直到去年我還沒有必要自己編寫模板類。可是在我需要自己編寫模板類時，我首先遇到的事實卻是“傳統”編程方法(在*.h文件聲明，在*.cpp文件中定義)不能用于模板。于是我花費一些時間來了解問題所在及其解決方法。

本文對象是那些熟悉模板但還沒有很多編寫模板經驗的程序員。本文只涉及模板類，未涉及模板函數。但論述的原則對于二者是一樣的。

問題的產生
通過下例來說明問題。例如在array.h文件中有模板類array：
// array.h
template <typename T, int SIZE>
class array
{
T data_[SIZE];
array (const array& other);
const array& ōperator = (const array& other);
public:
array(){};
T& operator[](int i) {return data_[i];}
const T& get_elem (int i) const {return data_[i];}
void set_elem(int i, const T& value) {data_[i] = value;}
operator T*() {return data_;}
};
然后在main.cpp文件中的主函數中使用上述模板：
// main.cpp
#include "array.h"

int main(void)
{
array<int, 50> intArray;
intArray.set_elem(0, 2);
int firstElem = intArray.get_elem(0);
int* begin = intArray;
}
這時編譯和運行都是正常的。程序先創建一個含有50個整數的數組，然后設置數組的第一個元素值為2，再讀取第一個元素值，最后將指針指向數組起點。

但如果用傳統編程方式來編寫會發生什么事呢？我們來看看：

將array.h文件分裂成為array.h和array.cpp二個文件(main.cpp保持不變)
// array.h
template <typename T, int SIZE>
class array
{
T data_[SIZE];
array (const array& other);
const array& ōperator = (const array& other);
public:
array(){};
T& operator[](int i);
const T& get_elem (int i) const;
void set_elem(int i, const T& value);
operator T*();
};
// array.cpp
#include "array.h"

template<typename T, int SIZE> T& array<T, SIZE>::operator [](int i)
{
return data_[i];
}

template<typename T, int SIZE> const T& array<T, SIZE>::get_elem(int i) const
{
return data_[i];
}

template<typename T, int SIZE> void array<T, SIZE>::set_elem(int i, const T& value)
{
data_[i] = value;
}
template<typename T, int SIZE> array<T, SIZE>::operator T*()
{
return data_;
}
編譯時會出現3個錯誤。問題出來了：
為什么錯誤都出現在第一個地方？
為什么只有3個鏈接出錯？array.cpp中有4個成員函數。
要回答上面的問題，就要深入了解模板的實例化過程。

模板實例化
程序員在使用模板類時最常犯的錯誤是將模板類視為某種數據類型。所謂類型參量化(parameterized types)這樣的術語導致了這種誤解。模板當然不是數據類型，模板就是模板，恰如其名：

編譯器使用模板，通過更換模板參數來創建數據類型。這個過程就是模板實例化(Instantiation)。
從模板類創建得到的類型稱之為特例(specialization)。
模板實例化取決于編譯器能夠找到可用代碼來創建特例(稱之為實例化要素，
point of instantiation)。
要創建特例，編譯器不但要看到模板的聲明，還要看到模板的定義。
模板實例化過程是遲鈍的，即只能用函數的定義來實現實例化。


再回頭看上面的例子，可以知道array是一個模板，array<int, 50>是一個模板實例 - 一個類型。從array創建array<int, 50>的過程就是實例化過程。實例化要素體現在main.cpp文件中。如果按照傳統方式，編譯器在array.h文件中看到了模板的聲明，但沒有模板的定義，這樣編譯器就不能創建類型array<int, 50>。但這時并不出錯，因為編譯器認為模板定義在其它文件中，就把問題留給鏈接程序處理。

現在，編譯array.cpp時會發生什么問題呢？編譯器可以解析模板定義并檢查語法，但不能生成成員函數的代碼。它無法生成代碼，因為要生成代碼，需要知道模板參數，即需要一個類型，而不是模板本身。

這樣，鏈接程序在main.cpp 或 array.cpp中都找不到array<int, 50>的定義，于是報出無定義成員的錯誤。

至此，我們回答了第一個問題。但還有第二個問題，在array.cpp中有4個成員函數，鏈接器為什么只報了3個錯誤？回答是：實例化的惰性導致這種現象。在main.cpp中還沒有用上operator[]，編譯器還沒有實例化它的定義。

解決方法
認識了問題，就能夠解決問題：
在實例化要素中讓編譯器看到模板定義。
用另外的文件來顯式地實例化類型，這樣鏈接器就能看到該類型。
使用export關鍵字。

前二種方法通常稱為包含模式，第三種方法則稱為分離模式。

第一種方法意味著在使用模板的轉換文件中不但要包含模板聲明文件，還要包含模板定義文件。在上例中，就是第一個示例，在array.h中用行內函數定義了所有的成員函數。或者在main.cpp文件中也包含進array.cpp文件。這樣編譯器就能看到模板的聲明和定義，并由此生成array<int, 50>實例。這樣做的缺點是編譯文件會變得很大，顯然要降低編譯和鏈接速度。

第二種方法，通過顯式的模板實例化得到類型。最好將所有的顯式實例化過程安放在另外的文件中。在本例中，可以創建一個新文件templateinstantiations.cpp：
// templateinstantiations.cpp
#include "array.cpp"

template class array <int, 50>; // 顯式實例化
array<int, 50>類型不是在main.cpp中產生，而是在templateinstantiations.cpp中產生。這樣鏈接器就能夠找到它的定義。用這種方法，不會產生巨大的頭文件，加快編譯速度。而且頭文件本身也顯得更加“干凈”和更具有可讀性。但這個方法不能得到惰性實例化的好處，即它將顯式地生成所有的成員函數。另外還要維護templateinstantiations.cpp文件。

第三種方法是在模板定義中使用export關鍵字，剩下的事就讓編譯器去自行處理了。當我在
Stroustrup的書中讀到export時，感到非常興奮。但很快就發現VC 6.0不支持它，后來又發現根本沒有編譯器能夠支持這個關鍵字(第一個支持它的編譯器要在2002年底才問世)。自那以后，我閱讀了不少關于export的文章，了解到它幾乎不能解決用包含模式能夠解決的問題。欲知更多的export關鍵字，建議讀讀Herb Sutter撰寫的文章。

結論
要開發模板庫，就要知道模板類不是所謂的"原始類型"，要用其它的編程思路。本文目的不是要嚇唬那些想進行模板編程的程序員。恰恰相反，是要提醒他們避免犯下開始模板編程時都會出現的錯誤。