为什么C++模板不支持分离式编译

前言

最近编译C++代码时出现链接失败信息，类似下图：

初见这个错误有些令人费解，不过经过一番分析，发现原因还是清晰的，和大家一起分享一下。

图一中使用的tpl.h代码如下：

#pragma once

template <typename T>
int compare(const T& a, const T& b);

tpl.cpp代码如下：

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

template <typename T>
int compare(const T& a, const T& b) {
    if (a == b) {
        return 0;
    }
    return (a > b) ? 1 : -1;
}

main.cpp代码如下：

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

int main() {
    int res = compare<int> (1, 2);
    std::cout << res << std::endl;
}

我一直习惯把模板实现写在头文件中，因此从未遇见这种错误。这次偶然将模板声明和实现分离，出现了链接错误。这引发了我一些思考，为什么模板不支持分离式编译？

模板的编译

为了搞清楚模板是怎么编译的，这里以上述tpl.cpp中的compare模板函数为例。tpl.h中声明了一个模板函数并且在tpl.cpp中实现这个模板函数。现在我们编译tpl.cpp，生成的汇编代码如下：

可以看出，一个模板如果没有被调用的时候，编译器不会对这部分代码做任何处理，一行指令都没有。实际上编译器也不知道要怎么处理这个模板。在没有调用之前，模板的参数类型是不确定的。

假如我们在tpl.cpp中增加调用compare的函数的test函数，如下：

int test() {
    int res = compare<int> (1, 2);
    std::cout << res << std::endl;
    return res;
}

再编译tpl.cpp就会发现，生成的汇编文件里面已经有了以int为参数的compare函数了，如下图：

链接错误问题分析

那么图一中的链接错误是怎么发生的？我们执行了g++ tpl.cpp main.cpp这个命令，大致会经过下面这三个步骤：

编译并且汇编tpl.cpp，生成tpl.o目标文件。
编译并且汇编main.cpp，生成main.o目标文件。
链接tpl.o和main.o生成可执行文件。

编译tpl.cpp已经分析过了，由于没有调用模板函数，因此编译器不会对模板做任何处理。实际上编译器根本不知道要怎么处理，因为模板里面的类型是不确定的。只有在调用的时候才会确定下来，这个时候编译器才知道这个函数长什么样，才会执行编译操作。

编译main.cpp的时候，由于模板compare已经声明但未实现，因此这里也不会生成具体代码，只会生成一个call指令。很显然这个call指令中的函数地址现在肯定是错误的，头文件tpl.h并没有去实现这个函数，需要依赖链接器将这个地址修改成正确的地址。

问题就出在编译tpl.cpp的时候模板没有实例化，编译器并没有编译这个函数，因此找在符号表中找不到这个函数的地址，链接器不知道要怎么处理，因此会出现链接错误。

如何改正

比较好的方式是在头文件中定义模板而不仅仅只是声明。

比如上面的tpl.h代码改成这样

#pragma once

template <typename T>
int compare(const T& a, const T& b) {
    if (a == b) {
        return 0;
    }
    return (a > b) ? 1 : -1;
}

就不会有链接问题了。

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