模版的編譯

c++ primer p657

• 一般來(lái)說(shuō)，如果你的項(xiàng)目沒有混合使用 C 和 C++ 語(yǔ)言，那么你使用 .h 和 .cpp 是沒有問(wèn)題的。否則你將C和C++的頭文件進(jìn)行分離,因?yàn)橥ǔＮ覀儼袰和C++分離編譯，再統(tǒng)一鏈接;
• 函數(shù)經(jīng)過(guò)編譯系統(tǒng)的翻譯成匯編，函數(shù)名對(duì)應(yīng)著匯編標(biāo)號(hào)。 因?yàn)镃編譯函數(shù)名與得到的匯編代號(hào)基本一樣，如：fun()=>_fun, main=>_main ；但是C++中函數(shù)名與得到的匯編代號(hào)有比較大的差別。 如：由于函數(shù)重載，函數(shù)名一樣，但匯編代號(hào)絕對(duì)不能一樣。
• 為了區(qū)分，編譯器會(huì)把函數(shù)名和參數(shù)類型合在一起作為匯編代號(hào)， 這樣就解決了重載問(wèn)題。具體如何把函數(shù)名和參數(shù)類型合在一起， 要看編譯器的幫助說(shuō)明了。
• 這樣一來(lái)，如果C++調(diào)用C，如fun(),則調(diào)用名就不是C的翻譯結(jié)果_fun, 而是帶有參數(shù)信息的一個(gè)名字，因此就不能調(diào)用到fun（），為了解決 這個(gè)問(wèn)題，加上extern "C"表示該函數(shù)的調(diào)用規(guī)則是C的規(guī)則，則調(diào)用 時(shí)就不使用C++規(guī)則的帶有參數(shù)信息的名字，而是_fun,從而達(dá)到調(diào)用 C函數(shù)的目的。

具體看下面的栗子：

//test.h
#ifndef ALGORITHMS_TEST_H
#define ALGORITHMS_TEST_H

template <typename T>
class Foo
{
    T bar;
public:
    //void doSomething(T param) {/* do stuff using T */}
    void doSomething(T param);
};


#endif //ALGORITHMS_TEST_H

//test.cpp
#include<iostream>
#include "test.h"

template <typename T>
void  Foo<T>::doSomething(T param) {
    std::cout << param << std::endl;
}

//main.cpp
#include "test.h"
int main() {
    Foo<int> f;
    f.doSomething(3);
    return 0;
}

編譯報(bào)連接錯(cuò)誤
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64
clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)
make[3]: *** [Algorithms] Error 1

為什么模版類的聲明和實(shí)現(xiàn)分開會(huì)出現(xiàn)連接問(wèn)題呢

因?yàn)樾枰獑为?dú)編譯，并且模板是實(shí)例化樣式的多態(tài)性；
在實(shí)例化模板時(shí)，編譯器會(huì)使用給定的模板參數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新類。例如：

template<typename T>
struct Foo
{
    T bar;
    void doSomething(T param) {/* do stuff using T */}
};

// somewhere in a .cpp
Foo<int> f; 

閱讀此行時(shí)，編譯器將創(chuàng)建一個(gè)新類（我們稱之為FooInt），其等效于以下內(nèi)容：

struct FooInt
{
    int bar;
    void doSomething(int param) {/* do stuff using int */}
}

因此，編譯器需要訪問(wèn)方法的實(shí)現(xiàn)，以使用template參數(shù)實(shí)例化它們（在這種情況下為int）。如果這些實(shí)現(xiàn)不在頭文件中，則將無(wú)法訪問(wèn)它們，因此編譯器將無(wú)法實(shí)例化模板。

具體解釋如下：

foo.h
    聲明的接口 class MyClass<T>
foo.cpp
    定義執(zhí)行 class MyClass<T>
bar.cpp
    用途 MyClass<int>

• 單獨(dú)編譯意味著我應(yīng)該能夠獨(dú)立于bar.cpp編譯foo.cpp。編譯器在每個(gè)編譯單元上完全獨(dú)立地完成分析、優(yōu)化和代碼生成的所有艱苦工作;我們不需要做整個(gè)程序分析。只有鏈接器需要一次處理整個(gè)程序，鏈接器的工作大大簡(jiǎn)化了。
• 當(dāng)我編譯foo.cpp時(shí)，bar.cpp甚至不需要存在，但是我仍然應(yīng)該可以將foo.o與bar.o一起使用。剛剛生成的文件，而無(wú)需重新編譯foo.cpp。甚至可以將foo.cpp編譯成動(dòng)態(tài)庫(kù)，而無(wú)需foo.cpp即可將其分發(fā)到其他位置，并與在我編寫foo.cpp之后多年編寫的代碼鏈接。
• "實(shí)例化樣式多態(tài)性”表示模板MyClass<T>并不是真正的通用(范型)類，它不能被編譯成可以處理任何T值的代碼。這將增加開銷，如裝箱，需要傳遞函數(shù)指針到分配器和構(gòu)造器，等等。c++模板的目的是避免編寫幾乎相同的類MyClass_int、類MyClass_float等，但仍然能夠編譯代碼，結(jié)束了就像我們分別編寫每個(gè)版本一樣。因此，模板實(shí)際上是模板。類模板不是類，而是為T我們遇到的每個(gè)類創(chuàng)建新類的秘訣。模板不能被編譯成代碼，只有實(shí)例化模板的結(jié)果可以被譯。
• 因此，在編譯foo.cpp時(shí)，編譯器無(wú)法通過(guò)看到bar.cpp來(lái)知道需要MyClass<int>。它可以看到模板MyClass<T>，但不能為此編譯出相應(yīng)的代碼（它是模板，而不是類）。并且在編譯bar.cpp時(shí)，編譯器可以看到它需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)MyClass<int>，但是看不到該模板MyClass<T>（只能在foo.h中看到其接口，不能看到具體類成員函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)等），因此無(wú)法創(chuàng)建它。
• 如果Foo.cpp中本身使用MyClass<int>，將在編譯時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)代碼在Foo.cpp中，因此當(dāng)文件bar.o鏈接到文件foo.o他們可以連接并工作。我們可以利用這一事實(shí)，通過(guò)編寫單個(gè)模板，在.cpp文件中實(shí)現(xiàn)一組有限的模板實(shí)例化。但bar.cpp無(wú)法將模板作為模板實(shí)例化它的類型;它只能使用foo.cpp的作者認(rèn)為提供的模板化類的已存在版本。
• 您可能會(huì)認(rèn)為，在編譯模板時(shí)，編譯器應(yīng)“生成所有版本”，并且在鏈接過(guò)程中會(huì)濾除從未使用過(guò)的版本。除了龐大的開銷和極端的困難之外，這種方法還會(huì)面臨困難，因?yàn)橹羔樅蛿?shù)組之類的“類型修飾符”功能甚至允許內(nèi)置類型產(chǎn)生無(wú)限數(shù)量的類型，當(dāng)我現(xiàn)在擴(kuò)展程序時(shí)會(huì)發(fā)生什么通過(guò)添加:

baz.cpp
    聲明并實(shí)現(xiàn)class BazPrivate，并使用MyClass<BazPrivate>

除非我們：

• 1、每當(dāng)我們改變程序中的任何其他文件時(shí)，必須重新編譯foo.cpp，以防它添加了一個(gè)新的實(shí)例化MyClass<T>
• 2、要求baz.cpp包含（可能通過(guò)標(biāo)頭包含）的完整模板MyClass<T>，以便編譯器可以MyClass<BazPrivate>在編譯baz.cpp時(shí)生成。

沒有人喜歡(1)，因?yàn)檎麄€(gè)程序分析的編譯系統(tǒng)需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)編譯，而且如果沒有源代碼，就不可能分發(fā)已編譯的庫(kù)。所以我們用(2)代替。

解決方案

• 常見的解決方案是將模板聲明寫入頭文件中，然后在實(shí)現(xiàn)文件中實(shí)現(xiàn)該類（例如.tpp），并在頭末尾包含該實(shí)現(xiàn)文件。

//test.h
template <typename T>
struct Foo
{
    void doSomething(T param);
};

#include "test.tpp"

//test.tpp
template <typename T>
void Foo<T>::doSomething(T param)
{
    //implementation
}

這樣，實(shí)現(xiàn)仍與聲明分開，但編譯器可以訪問(wèn);

另外一種代替的解決方案：使實(shí)現(xiàn)分離，并顯式實(shí)例化所需的所有模板實(shí)例：

//Foo.h
//no implementation
//template <typename T> struct Foo { ... };
template <typename T>
class Foo
{
    T bar;
public:
    //void doSomething(T param) {/* do stuff using T */}
    void doSomething(T param);
};

//Foo.cpp
// implementation of Foo's methods
// explicit instantiations

template <typename T>
void  Foo<T>::doSomething(T param) {
    std::cout << param << std::endl;
}

template class Foo<int>;  //相關(guān)的實(shí)例化代碼由編譯器產(chǎn)生
template class Foo<float>;

//main.cpp
#include "test.hpp"
int main(int argc, const char * argv[]) {   
 
    Foo<int> f;
    f.doSomething(3);
    
    return 0;
    
}

/* 編譯運(yùn)行成功：
    3  Program ended with exit code: 0
*/

參考：https://stackoverflow.com/questions/495021/why-can-templates-only-be-implemented-in-the-header-file