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为什么只能在头文件中实现模板?

 技术盛宴
发布于 2019/12/06 16:05
字数 2984
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引用来自C ++标准库:教程和手册

目前使用模板的唯一可移植方法是通过使用内联函数在头文件中实现它们。

为什么是这样?

(澄清:头文件不是唯一的可移植解决方案。但是它们是最方便的可移植解决方案。)


#1楼

这里有很多正确的答案,但是我想补充一下(为了完整性):

如果您在实现cpp文件的底部,对模板将使用的所有类型进行显式实例化,则链接程序将能够照常查找它们。

编辑:添加显式模板实例化的示例。 在定义模板和定义所有成员函数之后使用。

template class vector<int>;

这将实例化该类及其所有成员函数(仅对链接器可用)。 类似的语法适用于模板函数,因此,如果您有非成员运算符重载,则可能需要对它们执行相同的操作。

上面的示例是毫无用处的,因为矢量完全在标头中定义,除非公共包含文件(预编译的标头?)使用extern template class vector<int>以避免在所有其他 (1000?)文件中实例化它时都没有用使用向量。


#2楼

这是因为需要单独编译,并且模板是实例化样式的多态性。

让我们更接近具体的解释。 说我有以下文件:

  • foo.h
    • 声明class MyClass<T>的接口
  • foo.cpp
    • 定义class MyClass<T>
  • bar.cpp
    • 使用MyClass<int>

独立汇编的手段,我应该能够从bar.cpp独立编译Foo.cpp中 。 编译器完全独立地在每个编译单元上进行分析,优化和代码生成的所有艰苦工作。 我们不需要进行整个程序分析。 只是链接程序需要立即处理整个程序,因此链接程序的工作实际上要容易得多。

当我编译foo.cpp时bar.cpp甚至不需要存在,但我仍然应该可以将foo.obar.o一起使用。o我刚刚生成的文件,而无需重新编译foo .cpp 。 甚至可以将foo.cpp编译成动态库,而无需foo.cpp即可将分发到其他位置 ,并与在我编写foo.cpp之后多年编写的代码链接。

“实例化样式多态性”意味着模板MyClass<T>并不是真正的泛型类,可以将其编译为可用于任何T值的代码。 这将增加诸如装箱之类的开销,需要将函数指针传递给分配器和构造函数等。C++模板的目的是避免不得不编写几乎相同的class MyClass_intclass MyClass_float等,但最终仍然可以编译后的代码,就像我们分别编写每个版本一样。 因此,模板实际上是模板。 类模板不是类,而是为我们遇到的每个T创建一个新类的秘诀。 模板不能编译为代码,只能将实例化模板的结果编译为代码。

因此,在编译foo.cpp时,编译器看不到bar.cpp来知道需要MyClass<int> 。 它可以看到模板MyClass<T> ,但不能为此发出代码(它是模板,而不是类)。 并且在编译bar.cpp时,编译器可以看到它需要创建MyClass<int> ,但是看不到模板MyClass<T> (仅在foo.h中具有其接口),因此无法创建它。

如果Foo.cpp中本身使用MyClass<int> ,将在编译Foo.cpp中生成则该码,因此,当文件bar.o被链接到它们foo.o的可挂接和将工作。 我们可以利用这一事实,通过编写单个模板,在.cpp文件中实现一组有限的模板实例化。 但是, bar.cpp无法将模板用作模板 ,并在所需的任何类型上实例化它。 它只能使用foo.cpp的作者认为提供的模板化类的现有版本。

您可能会认为,在编译模板时,编译器应“生成所有版本”,并且在链接过程中会滤除从未使用过的版本。 除了庞大的开销和极端的困难之外,这种方法还会面临困难,因为指针和数组之类的“类型修饰符”功能甚至允许内置类型也可以产生无限数量的类型,当我现在扩展程序时会发生什么通过添加:

  • baz.cpp
    • 声明并实现class BazPrivate ,并使用MyClass<BazPrivate>

除非我们要么

  1. 每当我们在程序中更改任何其他文件时,都必须重新编译foo.cpp ,以防它添加了MyClass<T>的新的新颖实例。
  2. 要求baz.cpp包含(可能通过标头包含) MyClass<T>的完整模板,以便编译器可以在baz.cpp编译期间生成MyClass<BazPrivate>

没有人喜欢(1),由于整个程序分析的编译系统需要永远编译,因为它使得它不可能没有源代码分发编译库。 因此,我们改为(2)。


#3楼

必须在标头中使用模板,因为编译器需要根据给定/推导的模板参数实例化不同版本的代码。 请记住,模板并不直接代表代码,而是代表该代码的多个版本的模板。 当您在.cpp文件中编译一个非模板函数时,您正在编译一个具体的函数/类。 模板不是这种情况,可以用不同的类型实例化模板,即,用具体类型替换模板参数时必须发出具体代码。

带有export关键字的功能旨在用于单独的编译。 export功能在C++11和AFAIK中已被弃用,只有一个编译器实现了该功能。 您不应该利用export 。 在C++C++11不可能进行单独的编译,但是在C++17中可能无法进行单独的编译,如果有概念的话,我们可以采用某种方式进行单独的编译。

为了实现单独的编译,必须可以进行单独的模板主体检查。 似乎可以用概念来解决。 看一下最近在标准委员会会议上发表的这篇论文 。 我认为这不是唯一的要求,因为您仍然需要为用户代码中的模板代码实例化代码。

模板的单独编译问题我想这也是当前正在工作的向模块迁移的问题。


#4楼

尽管上面有很多很好的解释,但我仍然缺少将模板分为标题和正文的实用方法。
我主要关心的是在更改模板定义时避免重新编译所有模板用户。
对我而言,在模板主体中包含所有模板实例化不是一个可行的解决方案,因为模板创建者可能不了解其用法,并且模板用户可能无权对其进行修改。
我采用了以下方法,该方法也适用于较早的编译器(gcc 4.3.4,aCC A.03.13)。

对于每种模板用法,其自己的头文件中都有一个typedef(从UML模型生成)。 它的主体包含实例化(实例化最终在一个链接到最后的库中)。
模板的每个用户都包括该头文件并使用typedef。

原理图示例:

MyTemplate.h:

#ifndef MyTemplate_h
#define MyTemplate_h 1

template <class T>
class MyTemplate
{
public:
  MyTemplate(const T& rt);
  void dump();
  T t;
};

#endif

MyTemplate.cpp:

#include "MyTemplate.h"
#include <iostream>

template <class T>
MyTemplate<T>::MyTemplate(const T& rt)
: t(rt)
{
}

template <class T>
void MyTemplate<T>::dump()
{
  cerr << t << endl;
}

MyInstantiatedTemplate.h:

#ifndef MyInstantiatedTemplate_h
#define MyInstantiatedTemplate_h 1
#include "MyTemplate.h"

typedef MyTemplate< int > MyInstantiatedTemplate;

#endif

MyInstantiatedTemplate.cpp:

#include "MyTemplate.cpp"

template class MyTemplate< int >;

main.cpp:

#include "MyInstantiatedTemplate.h"

int main()
{
  MyInstantiatedTemplate m(100);
  m.dump();
  return 0;
}

这样,只需要重新编译模板实例,而不是所有模板用户(和依赖项)。


#5楼

在编译步骤中使用模板时,编译器将为每个模板实例生成代码。 在编译和链接过程中,.cpp文件将转换为包含引用或未定义符号的纯目标代码或机器代码,因为main.cpp中包含的.h文件没有实现YET。 它们准备好与定义模板实现的另一个目标文件链接,因此您具有完整的a.out可执行文件。

但是,由于模板需要在编译步骤中进行处理才能为您定义的每个模板实例生成代码,因此仅将模板与其头文件分开编译是不起作用的,因为它们总是并存的从字面上看,每个模板实例都是一个全新的类。 在常规类中,您可以将.h和.cpp分开,因为.h是该类的蓝图,而.cpp是原始实现,因此任何实现文件都可以定期编译和链接,但是使用模板.h是如何实现的蓝图类应该看起来不像对象看起来的样子,意味着模板.cpp文件不是类的原始常规实现,它只是类的蓝图,因此无法编译任何.h模板文件的实现,因为您需要具体的东西来进行编译,从这个意义上说,模板是抽象的。

因此,模板永远不会单独编译,只会在其他源文件中有具体实例的任何地方编译。 但是,具体的实例化需要知道模板文件的实现,因为仅使用.h文件中的具体类型修改类型名typename T并不能完成工作,因为那里有.cpp链接,我无法稍后找到它是因为记住模板是抽象的并且无法编译,所以我被迫现在提供实现,所以我知道要编译和链接的内容,并且现在有了实现,它已链接到随附的源代码中文件。 基本上,实例化模板的那一刻,我需要创建一个全新的类,并且如果不知道使用所提供的类型时该类的外观,则无法这样做,除非我注意到编译器模板实现,因此现在编译器可以将T替换为我的类型,并创建一个准备好进行编译和链接的具体类。

综上所述,模板是类外观的蓝图,类是对象外观的蓝图。 我无法将模板与具体实例分开进行编译,因为编译器仅编译具体类型,换句话说,至少在C ++中,模板是纯语言抽象。 可以这么说,我们必须取消模板的抽象,我们通过为模板提供要处理的具体类型,以便模板抽象可以转换为常规的类文件,然后可以正常地对其进行编译。 将模板.h文件和模板.cpp文件分开是没有意义的。 这是没有意义的,因为仅.cpp和.h的分隔仅是.cpp可以单独编译和单独链接的地方,因为我们不能单独编译它们,因为模板是抽象的,因此我们总是被迫始终将抽象与具体实例放在一起,具体实例始终必须了解所使用的类型。

意思是typename T get在编译步骤而不是链接步骤中被替换,因此,如果我尝试在不将T替换为具体值类型的情况下编译模板,那么它将不起作用,因为这是模板的定义,这是一个编译时过程,并且btw元编程就是关于使用此定义的。

本文转载自:https://stackoom.com/question/24mD/为什么只能在头文件中实现模板

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