c++函数模板声明与定义相分离

最近在仿写stl，发现stl源码中将模板的声明与定义写在一起实在很不优雅。自己尝试用“传统”方法，及在.h文件里声明,在.cpp文件里定义，然后在main函数里包含.h头文件，这样会报链接错误。这是因为函数模板要被实例化后才能成为真正的函数，在使用函数模板的源文件中包含函数模板的头文件，如果该头文件中只有声明，没有定义，那编译器无法实例化该模板，最终导致链接错误。

上面这句话有点抽象。要理解为什么会出错，首先要理解用传统方法写非模板函数时，编译器是怎么运作的。举个例子

//---------------test.h-------------------//
void f();//这里声明一个函数f
//---------------test.cpp--------------//
#include”test.h”
void f()
{
…//do something
} //这里实现出test.h中声明的f函数
//---------------main.cpp--------------//
#include”test.h”
int main()
{
f(); //调用f
}

编译时会生成两个obj文件，main.obj和test.obj，而在main.obj里并没有f函数的二进制代码，这些代码实际存在于test.obj中。在main.obj中对f的调用只会生成一行call指令，call指令的地址由链接器生成。

再看一个函数模板的例子

//-------------test.h----------------//
template<class T>
class A
{
public:
void f(); //这里只是个声明
};
//---------------test.cpp-------------//
#include”test.h”
template<class T>
void A<T>::f()
{
…//do something
}
//---------------main.cpp---------------//
#include”test.h”
int main()
{
A<int> a;
a. f();
}

我们知道模板有个具现化的过程，在未被使用的时候是不会生成二进制文件的。所以当链接器去找f函数的地址时，因为在这之前没有调用过f()，test.obj里自然就没有f函数的二进制代码，于是就会报错。

要使模板声明与定义分开也不是没有办法。

第一种办法是在main函数里包含cpp文件

//-------------test.h----------------//
template<class T>
class A
{
public:
void f(); //这里只是个声明
};
//---------------test.cpp-------------//
#include”test.h”
template<class T>
void A<T>::f()
{
…//do something
}
//---------------main.cpp---------------//
#include”test.cpp”
int main()
{
A<int> a;
a. f();
}

这样三个文件的内容通过include实际上包含在同一个文件里，自然就不会出错了。同理，还可以这样

//-------------test.h----------------//
template<class T>
class A
{
public:
void f(); //这里只是个声明
};
#include<test_impl.h>
//---------------test_impl.h-------------//
template<class T>
void A<T>::f()
{
…//do something
}
//---------------main.cpp---------------//
#include”test.h”
int main()
{
A<int> a;
a. f();
}

这两种方法实际上都是包含编译，没有本质的区别，不过感觉第二种方法看起来比较舒服。还有一种比较hack的方法

//-------------test.h----------------//
template<class T>
class A
{
public:
void f(); //这里只是个声明
};
//---------------test.cpp-------------//
#include”test.h”
template<class T>
void A<T>::f()
{
…//do something
}
template class A<int>;
//---------------main.cpp---------------//
#include”test.h”
int main()
{
A<int> a;
a. f();
}

这样由于在test.cpp里实例化了A<int>，所以链接器能够找到相关代码，就不会报错。但是这样main函数要用哪种类型的模板都得在test.cpp先实例化，很不方便。

以上都是包含编译的方法，其实C++0x有个export关键字，使模板能分离编译，但是基本没有编译器支持，在c++11中就废除掉了，所以这里就不提了。