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為什么C++編譯器不能支持對模板的分離式編譯
劉未鵬(pongba) /文

首先，C++標(biāo)準(zhǔn)中提到，一個編譯單元[translation unit]是指一個.cpp文件以及它所include的所有.h文件，.h文件里的代碼將會被擴(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.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.exe文件。
舉個例子：
//---------------test.h-------------------//
void f();//這里聲明一個函數(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具有外部連接類型
}
在 這個例子中，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，它所僅僅知道的只是main.cpp中所包含的test.h文件中的一個關(guān)于void f();的聲明，所以，編譯器將這里的f看作外部連接類型，即認(rèn)為它的函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼在另一個.obj文件中，本例也就是test.obj，也就是 說，main.obj中實(shí)際沒有關(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f的調(diào)用只會生成一行call指令，像這樣：
call f [C++中這個名字當(dāng)然是經(jīng)過mangling[處理]過的]
在 編譯時，這個call指令顯然是錯誤的，因?yàn)閙ain.obj中并無一行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.exe文件，而它最關(guān)鍵的任務(wù)就是 上面說的，尋找一個外部連接符號在另一個.obj中的地址，然后替換原來的“虛假”地址。
這個過程如果說的更深入就是：
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
jmp 0x23423[這個地址可能是任意的，然而關(guān)鍵是這個地址上有一行指令來進(jìn)行真正的call f動作。也就是說，這個.obj文件里面所有對f的調(diào)用都jmp向同一個地址，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只要對 后者的call XXX地址作改動就行了。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 樣的文件中有一個符號導(dǎo)入表和符號導(dǎo)出表[import table和export table]其中將所有符號和它們的地址關(guān)聯(lián)起來。這樣連接器只要在test.obj的符號導(dǎo)出表中尋找符號f[當(dāng)然C++對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€.obj文件合并，當(dāng)然地址會有一定的偏移，這個連接器清楚]寫入main.obj中的符號導(dǎo)入表中f 所占有的那一項(xiàng)。
這就是大概的過程。其中關(guān)鍵就是：
編譯main.cpp時，編譯器不知道f的實(shí)現(xiàn)，所有當(dāng)碰到對它的調(diào)用時只是給出一個指示，指示連接器應(yīng)該為它尋找f的實(shí)現(xiàn)體。這也就是說main.obj中沒有關(guān)于f的任何一行二進(jìn)制代碼。
編譯test.cpp時，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，連接器在test.obj中找到f的實(shí)現(xiàn)代碼[二進(jìn)制]的地址[通過符號導(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“具現(xiàn)化”的過程。舉個例子：
//----------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f<int>的具現(xiàn)體
…//do other thing
}
也就是說，如果你在main.cpp文件中沒有調(diào)用過f，f也就得不到具現(xiàn)，從而main.obj中也就沒有關(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
f(10.0); //f<double>得以具現(xiàn)化出來
這樣main.obj中也就有了f<int>,f<double>兩個函數(shù)的二進(jìn)制代碼段。以此類推。
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)一個模板不被用到的時
//侯它就不該被具現(xiàn)出來，test.cpp中用到了A<int>::f了嗎？沒有！！所以實(shí)
//際上test.cpp編譯出來的test.obj文件中關(guān)于A::f的一行二進(jìn)制代碼也沒有
//于是連接器就傻眼了，只好給出一個連接錯誤
// 但是，如果在test.cpp中寫一個函數(shù)，其中調(diào)用A<int>::f，則編譯器會將其//具現(xiàn)出來，因?yàn)樵谶@個點(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的符號導(dǎo)出表中就有了A<int>::f這個符號的地
//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.cpp文件時并不知道另一個.cpp文件的存在，也不會去查找[當(dāng)遇到未決符號時它會寄希望于連 接器]。這種模式在沒有模板的情況下運(yùn)行良好，但遇到模板時就傻眼了，因?yàn)槟０鍍H在需要的時候才會具現(xiàn)化出來，所以，當(dāng)編譯器只看到模板的聲明時，它不能 具現(xiàn)化該模板，只能創(chuàng)建一個具有外部連接的符號并期待連接器能夠?qū)⒎柕牡刂窙Q議出來。然而當(dāng)實(shí)現(xiàn)該模板的.cpp文件中沒有用到模板的具現(xiàn)體時，編譯器 懶得去具現(xiàn)，所以，整個工程的.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

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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

說明：本文譯自《C++ Template: The Complete Guide》一書的第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，也為類似的問題困惑過，因此翻譯此文，希望對初學(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：

         ·類和其他類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：它使得在編程時可以方便地訪問所需的類型定義，并且避免了來自鏈接器的“變量或函數(shù)重復(fù)定義”的錯誤。
 

由于以上組織方式約定的影響，模板編程新手往往會犯一個同樣的錯誤。下面這一小段程序反映了這種錯誤。就像對待“普通代碼”那樣，我們在頭文件中定義模板：
 

// 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()聲明了一個簡單的輔助函數(shù)用來打印一些類型信息。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;

}

這個例子使用typeid操作符來打印一個字符串，這個字符串描述了傳入的參數(shù)的類型信息。

最后，我們在另外一個點(diǎn)C文件中使用我們的模板，在這個文件中模板聲明被＃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）很可能會接受這個程序，沒有任何問題，但是鏈接器（Linker）大概會報(bào)告一個錯誤，指出缺少函數(shù)print_typeof()的定義。

這個錯誤的原因在于，模板函數(shù)print_typeof()的定義還沒有被具現(xiàn)化（instantiate）。為了具現(xiàn)化一個模板，編譯器必須知道 哪一個定義應(yīng)該被具現(xiàn)化，以及使用什么樣的模板參數(shù)來具現(xiàn)化。不幸的是，在前面的例子中，這兩組信息存在于分開編譯的不同文件中。因此，當(dāng)我們的編譯器看 到對print_typeof()的調(diào)用，但是沒有看到此函數(shù)為double類型具現(xiàn)化的定義時，它只是假設(shè)這樣的定義在別處提供，并且創(chuàng)建一個那個定義 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，該文件并沒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

解決上面這個問題的通用解法是，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。對于我們的例子，我們可以通 過將＃i nclude "myfirst.cpp"添加到myfirst.hpp文件尾部，或者在每一個使用我們的模板的點(diǎn)C文件中包含myfirst.cpp文件，來達(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作包含模式。經(jīng)過這樣的調(diào)整，你會發(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，這個方法在相當(dāng)程度上增加了包含myfirst.hpp的開銷。在這個例子中，這種開 銷并不是由模板定義自身的尺寸引起的，而是由這樣一個事實(shí)引起的，即我們必須包含我們的模板用到的頭文件，在這個例子中 是<iostream>和<typeinfo>。你會發(fā)現(xiàn)這最終導(dǎo)致了成千上萬行的代碼，因?yàn)橹T 如<iostream>這樣的頭文件也包含了和我們類似的模板定義。

這在實(shí)踐中確實(shí)是一個問題，因?yàn)樗黾恿司幾g器在編譯一個實(shí)際程序時所需的時間。我們因此會在以后的章節(jié)中驗(yàn)證其他一些可能的方法來解決這個問題。但無論如何，現(xiàn)實(shí)世界中的程序花一小時來編譯鏈接已經(jīng)是快的了（我們曾經(jīng)遇到過花費(fèi)數(shù)天時間來從源碼編譯的程序）。

拋開編譯時間不談，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：它并不會在調(diào)用端展開。相反，當(dāng)模板函數(shù)被具現(xiàn)化時，會產(chǎn)生此函數(shù)的一個新的 拷貝。由于這是一個自動的過程，編譯器也許會在不同的文件中產(chǎn)生兩個相同的拷貝，從而引起鏈接器報(bào)告一個錯誤。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，對于那些需要創(chuàng)建自己的庫的大型項(xiàng)目，這個問題偶爾會顯現(xiàn)出 來。
 

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)。