为什么模板类函数必须在同一个翻译单元中声明？

Question

以这段代码为例

/*
 * foo.h
 *
 *  Created on: Nov 5, 2011
 *      Author: AutoBotAM
 */

#ifndef FOO_H_
#define FOO_H_

template<typename Type>
class Foo
{
public:
    void Bar(Type object);
};


#endif /* FOO_H_ */

：

/*
 * foo.cpp
 *
 *  Created on: Nov 5, 2011
 *      Author: AutoBotAM
 */

#include <iostream>
using namespace std;

#include "foo.h"

template<typename Type>
void Foo<Type>::Bar(Type object)
{
    cout << object;
}

。

/*
 * main.cpp
 *
 *  Created on: Oct 15, 2011
 *      Author: AutoBotAM
 */

#include <iostream>
using namespace std;

#include "foo.h"

Foo<int> foo;

int main()
{
    cout << "The year is ";
    foo.Bar(2011);
    return 0;
}

这就是我通常声明非模板类的方式。不幸的是，此代码会导致错误 ../src/main.cpp:18: undefined reference to 'Foo::Bar(int)' （在 MinGW 中）。我做了一些阅读，结果发现你必须在同一个翻译单元中声明模板类，如下所示：

/*
 * foo.h
 *
 *  Created on: Nov 5, 2011
 *      Author: AutoBotAM
 */

#ifndef FOO_H_
#define FOO_H_

template<typename Type>
class Foo
{
public:
    void Bar(Type object)
    {
        cout << object;
    }
};


#endif /* FOO_H_ */

我的大问题是，为什么你必须这样做？我可以想象这个方案在开发过程中会遇到一些陷阱。例如，假设我们有 50 个翻译单元#包括 foo.h，并且我们对 void Foo::Bar(Type) 进行了更改。由于 Bar 位于头文件中，因此我们必须等待所有 50 个翻译单元编译完毕才能获得任何结果。如果我们让 Bar 单独在 foo.cpp 中工作，我们只需等待 1 个翻译单元编译即可。有什么方法可以克服这个问题吗？

感谢您的任何建议！

Answer 1

模板位于编译和链接时间之间。在看到模板声明后，急切的实现可以做很多事情，但在使用模板参数实例化模板之前无法生成实际代码。

您可以在 cpp 文件中包含模板类函数，并且可以使用将要使用它的参数显式实例化它。但是，您只能在整个程序中使用这些实例化。例如，您

template class Foo<int>;

现在可以添加到 foo.cpp 中，即使实现位于其自己的翻译单元中，您也可以在任何地方使用 Foo。但是，您不能使用任何其他类型的 Foo<>，因为链接器将无法找到其函数（它们实际上并不存在）。

Answer 2

模板不是类型。它们只是模板。它们只有在被实例化（具有完整的参数集）时才成为一种类型。

编译要求所有必要的类型定义在编译时可用。此外，链接要求所有必需的函数定义（包括成员函数）存在于某个翻译单元中（内联提供了对单一定义规则的通常豁免）。

如果将所有这些放在一起，几乎可以自动得出以下结论：模板类的所有模板成员函数定义都必须可用于编译过程中在某个时刻的每个使用的模板实例化。

另一方面，请考虑以下设置：

// Header file:
template <typename T> struct Foo { void f(); }

// "Implementation" file
template <typename T> void Foo::f() { /* stuff */ }

如果编译实现文件，它不包含任何代码，因为没有要编译的模板实例。头文件的用户可以实例化 Foo，但类的主体永远不会在任何 TU 中实例化，因此在拼凑程序时会出现链接器错误。

将模板视为代码生成工具而不是实际代码可能会有所帮助，至少出于编译的目的。

Answer 3

模板是元编程。它们不会（直接）编译成目标代码。只是他们的结果。

Answer 4

大多数编译器尚不支持外部模板，这将允许您正在寻找的 cpp/h 类型分开。但是，您仍然可以将模板声明与类似于您想要的实现分开。将声明放在 .h 文件中，将实现放在单独的源文件中，无论您想要什么扩展名（.i 和 .ipp 都很流行），然后 #include 将源文件放在.h 文件。编译器看到单个翻译单元，并且您可以实现代码分离。

/*
* foo.h
*
* Created on: Nov 5, 2011
* Author: AutoBotAM
*/
#ifndef FOO_H_
#define FOO_H_

template<typename Type>
class Foo
{
public:
    void Bar(Type object);
};

#include "foo.ipp"

#endif /* FOO_H_ */

。

/*
* foo.ipp
*
* Created on: Nov 5, 2011
* Author: AutoBotAM
*/

#include <iostream>

template<typename Type>
void Foo<Type>::Bar(Type object)
{
    std::cout << object;
}