模板的声明和定义能否分离

这个问题是我在做《C++ Primer, 5th》上的一个习题时遇到的。我当时把template
的声明放在了.h文件中，而把成员函数的定义放在.cc文件中，结果在编译链接时
一直报错：

ld: symbol(s) not found for architecture x86_64
clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)

我原本以为是g++的链接出了问题，后来google发现原来是template的定义和声明
必须都放在.h头文件中。接下来会详细说一下这个问题。

参考文献：

• C++ FAQ
• 知乎

为什么模板的声明和实现（成员函数的定义）要放在一个头文件中？

首先，我们要知道以下事实：

• 模板(template)不是一种类或者函数。模板是一种“蓝图”或“公式”，可以用来创建类似的
  函数或类。
• 为了能让编译器产生代码，它需要看到模板的定义（而不仅仅是声明）以及用来实例化
  模板的具体类型。例如，如果你想使用Foo <int>，那需要让编译器同时看到Foo模板
  和你调用的具体的Foo <int>。
• 编译器当编译一个.cc文件时，就大多数情况下可能不会记得另一个.cc文件的细节。
  也就是说，同一时刻编译器只能专注于一个.cc文件。这被称作“分离编译模型”
  (separate compilation model)。

基于以上事实，我们来看下面这个例子，假设我们需要定义Foo这个模板

template<typename T> 
class Foo {
    public: Foo(); 
    void someMethod(T x); 
private: 
    T x; 
};

而它的成员函数的定义

template<typename T>
Foo<T>::Foo()
{
  ...
}

template<typename T>
void Foo<T>::someMethod(T x)
{
  ...
}

假设有程序bar.cc使用Foo <int>

// bar.cc 
void blah_blah_blah() {
    ... 
    Foo<int> f; 
    f.someMethod(5); 
    ... 
}

如果你把模板的声明放到Foo.h，而把它的成员函数的定义放到Foo.cc中，
当编译器编译Foo.cc文件时，它能看到完整的模板代码(Foo.h+Foo.cc)；当编译器
编译bar.cc文件时，它能看到实例化Foo <int>和模板的声明(Foo.h)。但编译器
永远不可能同时看到实例化和完整的模板代码。这就和上面的事实第二条冲突了，也就不会
产生Foo <int> ::someMethod。

余天升的解释：

C++中每一个对象所占用的空间大小，是在编译的时候就确定的，在模板类没有真正的被使用之前，
编译器是无法知道，模板类中使用模板类型的对象的所占用的空间的大小的。
只有模板被真正使用的时候，编译器才知道，模板套用的是什么类型，应该分配多少空间。
这也就是模板类为什么只是称之为模板，而不是泛型的缘故。

既然是在编译的时候，根据套用的不同类型进行编译，那么，套用不同类型的模板类实际上
就是两个不同的类型，也就是说，stack<int>和stack<char>是两个不同的数据类型，
他们共同的成员函数也不是同一个函数，只不过具有相似的功能罢了。

所以模板类的实现，脱离具体的使用，是无法单独的编译的；把声明和实现分开的做法也是
不可取的，必须把实现全部写在头文件里面。为了清晰，实现可以不写在class后面的花括
号里面，可以写在class的外面。

徐辰的解释：

C++中的template可以看作一种类型安全的宏，从这个角度来说其实template的实现
必须要放在使用它的源代码里一起编译，通常我们就用头文件来解决这个问题。
每个使用template的源代码在编译的时候都需要把template的源代码整个重新编译一遍，
生成的目标代码中其实已经完全没有template的任何信息了（除了mangle过的符号名字
还能看到一些线索）。

这样做的后果也很明显，那就是编译时间明显变长，为了解决这个问题，
C++标准委员会在没有经过深思熟虑的情况下在C++03中加入了一个export关键字，
试图为各厂家解决这个问题的方式提供一个标准的框架，但是export的语义从来没有被明确过，
标准文本中只是很不负责任的说了一句用export声明的template可以分离编译，
没有提及任何具体实现方案。
问题在于export仅仅作为一个编译性能补丁被引入的，而这个性能问题很多编译器厂商
已经用预编译头文件的方式基本解决了，包括Microsoft Visual C++和GCC
（我会告诉你GCC用mmap实现的预编译头文件补丁就是渣么:-），唯一符合标准实现只有
的EDG的前端，使用这个前端的编译器只有Comeau和Intel。
在接下来的7年里，C++的标准委员会对于export的语义进行了多次讨论，最后达成共识，
认定export对于编译器没有实质性的帮助，最终在C++11中去除了。

目前你能做的就是，在头文件里定义整个template，但是可以把显式特化放在源代码里。

如果非要把模板的成员函数的定义单独放在.cc文件中，有什么办法？

必须强调的是：

• 目前，最好的方式还是把整个模板的定义和实现都放在一个头文件中。
• 以下方式基本上只会让你的程序变得混乱，除非万不得已，还是不用为好。

可以将模板的成员函数的定义放在.cc文件中，然后添加一行实例化声明。以上面为例，
将成员函数放到Foo.cc文件中，在最后添加一行：

template class Foo<int>;

或者只是将成员函数放到Foo.cc文件中，然后新建一个文件，例如Foo-impl.cc

// Foo-impl.cc
#include "Foo.cc"
template class Foo<int>;