模版定义一定要写在头文件中吗?

程序喵大人 2021-12-20

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大家在使用C++代码时或多或少都会使用到模板，使用模板时应该都是把定义放在了头文件中，因为放在源文件中定义会编译失败。

那问题来了，模板中的函数定义一定要写在头文件中吗？

先说结论：不一定要放在头文件中，定义也可以放在源文件中，但操作起来还是有点麻烦的。

继续往下看看

先看一段正常的模板代码：

// template.h
#include <iostream>


template <typename T>
struct TemplateTest {
    T value;
    void func();
};


template <typename T>
void TemplateTest<T>::func() {
    std::cout << typeid(T).name() << std::endl;
}


// test_template.cc
#include "template.h"


int main() {
    TemplateTest<int> test;
    test.func();
    return 0;
}

这段代码没啥毛病，因为实现放在了头文件中，也会正常输出。

如果我把函数定义放在源文件中呢，会怎么样？

// template.h
#include <iostream>


template <typename T>
struct TemplateTest {
    T value;
    void func();
};


// template.cc
template <typename T>
void TemplateTest<T>::func() {
    std::cout << typeid(T).name() << std::endl;
}


// test_template.cc
#include "template.h"


int main() {
    TemplateTest<int> test;
    test.func();
    return 0;
}

嗯，不出意外，编译报错了，报了个没有某个函数实现的error：

/tmp/ccPghOjU.o: In function `main':
test_template.cc:(.text+0x1f): undefined reference to `TemplateTest<int>::func()'
collect2: error: ld returned 1 exit status

为什么没有此函数定义？

先补充个基础知识，模板的本质。本质其实就是类型泛化，可以用一个T代替多种类型，对于上面的模板，假如有此种使用：

TemplateTest<int> test;

那模板最终可能变成这样：

struct TemplateTest_int {
    int value;
    void func() {
        std::cout << typeid(int).name() << std::endl;
    }
};

如果有这两种使用：

TemplateTest<int> test;
TemplateTest<float> test;

那模板最终可能会变成这样：

struct TemplateTest_int {
    int value;
    void func() {
        std::cout << typeid(int).name() << std::endl;
    }
};


struct TemplateTest_float {
    float value;
    void func() {
        std::cout << typeid(float).name() << std::endl;
    }
};

模板最终会展开成什么样，取决于用户是怎么使用它的。

那回到上面的问题，为什么把定义放在源文件中，编译就失败了呢，因为每个源文件的编译都是独立的，尽管在test_template.cc进行了TemplateTesttest的使用，但是在template.cc中却感知不到，所以也就没法定义相关的实现。

思路来了，只需要让template.cc中感知到T有int类型的情况，那编译应该就没问题。这里有个语法，叫模板实例化，像这样：

template struct TemplateTest<int>;

把这行代码放在template.cc中：

// template.cc
#include "template.h"


template <typename T>
void TemplateTest<T>::func() {
    std::cout << typeid(T).name() << std::endl;
}


template struct TemplateTest<int>;

整个代码的编译就没得问题了，通过这种方式即可以实现模板函数声明与实现的分离。

这也印证了上面的结论。

这里我再抛出几个问题，大家可以讨论讨论：

模板的使用是否会导致代码段体积增大？怎么解决？
模板的函数定义放在了头文件中，好多个源文件都include此头文件，是否会导致函数的multi definition类型的链接报错？实际使用中貌似没有报错，为什么？大家有想过吗？

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