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模板编程—C++不支持模板分离编译分析

  • 2026-08-27 10:03:33
模板编程—C++不支持模板分离编译分析

一、模板编译的特点

模板的编译相对于普通编程的编译,要复杂不少。比如一个模板函数,在不同的编译单元被include,那么会生成多个相同签名的函数,这就需要编译器后期进行相关的去重处理。而且这种代码多了,编译时,相关的编译部分体积也会变大,也就是常说的代码膨胀。另外,还需要处理ADL和CTAD(前面都分析过)等相关的细节,直到链接时对相关函数的具体定位(两阶段名称查找)等等,都相较于非模板代码编译需要更多的步骤和处理过程。
这里重点分析一下,为什么在模板编程中见到的模板代码都定义在头文件中,而不是像普通的代码声明在头文件而定义在cpp中,也就是分离编译的问题。

二、为什么不支持模板分离编译

那么为什么不支持模板的分离编译呢?这就需要从C++的编译过程和模板的特点说起。在C++编译的过程中,普通的代码是在一个个的CPP文件作为独立的编译单元进行编译的,然后在链接阶段进行相关函数等符号的链接。但是,模板有一个特点,即经常提到的延迟加载,即不调用的情况下一般不会生成实例,也就无法生成相关的符号链接。那么如果去链接,就会报链接错误。这也是为什么模板编译时,很多问题都体现在了链接错误上的一个重要原因(这里并未严格区分编译和链接,统一处理为编译)。
大多数情况下,模板的实例化都是隐式实现的。虽然这样做更符合传统的开发风格以及相关的技术处理,但这也从某种角度加强了开发者对模板编译与普通代码编译的过程,从而导致分离编译时的错误情况产生。
回想一下前面对模板的分析,模板就是一个“定义代码的空架子”,它本身对编译器是没有多大作用的,只有将这个“空架子”填充上真实的数据类型后(即实例化)后,编译器才会真正的将其作为可处理的代码进行编译。有的资料上说模板是一种“蓝图”,不过觉得说是一个空架子反而更简单。下面看一个简单的例子:

//h
#ifndef TEMPLATEDEMO_H
#define TEMPLATEDEMO_H

classTemplateDemo {
public:
  TemplateDemo();
template <typename T> voidgetData(const T &id);

private:
voidinsDemo();
};

#endif// TEMPLATEDEMO_H
//cpp
#include"templatedemo.h"
#include<iostream>
TemplateDemo::TemplateDemo() {}
template <typename T>
void TemplateDemo::getData(const T &id) {
std::cout << "this is get test!" << std::endl;
}
// void TemplateDemo::insDemo() { getData(100); }//注释则编译时链接有问题

//main.cpp
#include"templatedemo.h"
intmain(){
  TemplateDemo t;
int d = 100;
  t.getData(d);
return0;
}

当注释打开和不打开的情况下,可以发现编译后的汇编代码中就有getData是否出现的情况,看下面的结果:

//注释
    .file   "templatedemo.cpp"
    .text
    .local  _ZStL8__ioinit
    .comm   _ZStL8__ioinit,1,1
    .align 2
    .globl  _ZN12TemplateDemoC2Ev
    .type   _ZN12TemplateDemoC2Ev, @function
_ZN12TemplateDemoC2Ev:
.LFB1732:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    nop
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1732:
    .size   _ZN12TemplateDemoC2Ev, .-_ZN12TemplateDemoC2Ev
    .globl  _ZN12TemplateDemoC1Ev
    .set    _ZN12TemplateDemoC1Ev,_ZN12TemplateDemoC2Ev
    .type   _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB2229:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $16, %rsp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movl    %esi, -8(%rbp)
    cmpl    $1, -4(%rbp)
    jne .L4
    cmpl    $65535, -8(%rbp)
    jne .L4
    leaq    _ZStL8__ioinit(%rip), %rax
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZNSt8ios_base4InitC1Ev@PLT
    leaq    __dso_handle(%rip), %rax
    movq    %rax, %rdx
    leaq    _ZStL8__ioinit(%rip), %rax
    movq    %rax, %rsi
    movq    _ZNSt8ios_base4InitD1Ev@GOTPCREL(%rip), %rax
    movq    %rax, %rdi
    call    __cxa_atexit@PLT
.L4:
    nop
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE2229:
    .size   _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
    .type   _GLOBAL__sub_I__ZN12TemplateDemoC2Ev, @function
_GLOBAL__sub_I__ZN12TemplateDemoC2Ev:
.LFB2230:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movl    $65535, %esi
    movl    $1, %edi
    call    _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE2230:
    .size   _GLOBAL__sub_I__ZN12TemplateDemoC2Ev, .-_GLOBAL__sub_I__ZN12TemplateDemoC2Ev
    .section    .init_array,"aw"
    .align 8
    .quad   _GLOBAL__sub_I__ZN12TemplateDemoC2Ev
    .hidden __dso_handle
    .ident  "GCC: (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04) 11.4.0"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits
    .section    .note.gnu.property,"a"
    .align 8
    .long   1f - 0f
    .long   4f - 1f
    .long   5
0:
    .string "GNU"
1:
    .align 8
    .long   0xc0000002
    .long   3f - 2f
2:
    .long   0x3
3:
    .align 8
4:
//未注释
    .file   "templatedemo.cpp"
.....
    .type   _ZN12TemplateDemo7insDemoEv, @function
_ZN12TemplateDemo7insDemoEv:
.LFB1735:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $32, %rsp
    movq    %rdi, -24(%rbp)
    movq    %fs:40, %rax
    movq    %rax, -8(%rbp)
    xorl    %eax, %eax
    movl    $100, -12(%rbp)
    leaq    -12(%rbp), %rdx
    movq    -24(%rbp), %rax
    movq    %rdx, %rsi
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_
    nop
    movq    -8(%rbp), %rax
    subq    %fs:40, %rax
    je  .L3
    call    __stack_chk_fail@PLT
.L3:
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1735:
    .size   _ZN12TemplateDemo7insDemoEv, .-_ZN12TemplateDemo7insDemoEv
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "this is get test!"
    .section    .text._ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_,"axG",@progbits,_ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_,comdat
    .align 2
    .weak   _ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_
    .type   _ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_, @function
_ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_:
.LFB1996:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $16, %rsp
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    movq    %rsi, -16(%rbp)
    leaq    .LC0(%rip), %rax
    movq    %rax, %rsi
    leaq    _ZSt4cout(%rip), %rax
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@PLT
    movq    _ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_@GOTPCREL(%rip), %rdx
    movq    %rdx, %rsi
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZNSolsEPFRSoS_E@PLT
    nop
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1996:
    .size   _ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_, .-_ZN12TemplateDemo7getDataIiEEvRKT_
    .text
    .type   _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB2239:
......

说明:C++有改名机制
当然,大家也可以看完全编译后的文件,然后用readelf等命令查看类似的情况,可以更好理解这种情况。C++模板编译的最突出的特征就是两阶段查找和延迟实例化。这才是导致C++模板分离编译问题的根源。当然,这也恰恰是模板编程可以被利用的一些特点,通过延迟加载等降低编译的时间,提高效率。
这里简单说明一下模板编译的两阶段查找。第一阶段,用来处理定义时的不依赖的名称,可以理解为普通函数的不包括参数的相关内容的查找和验证。比如调用了一个模板函数调用了一个普通函数,如果找不到直接就报错;第二阶段则是在实例化时,模板代码已经可以看作是具体的“普通代码”了,此时需要对依赖的相关名称进行确定,包括参数、调用的模板函数等等,此时会触发ADL。延迟加载比较简单,就不再赘述了。

三、可分离编译的情况

虽然C++不支持模板的分离编译,但在实际的工程中可以看到有些情况是可以进行分离编译的。主要有以下几种情况:
普通类的模板函数  外部模板

  1. 编译单元(主要是分离编译的类文件)内部的使用
    这种情况其实和不分离编译没有本质的区别,在编译单元内可以看到模板相关的实现。特别是既然使用,就会实例化。看下面的例子:
//h
classDemo{
public:
template <typename T>
voidtest(const T&);
private:
voidcall();
int m_a = 0;
};
//cpp
template <typename T> 
void Demo::test(const T &id) { 
}
void Demo::call() { test(m_a); }
  1. 显式实例化
    即使用模板的显式实例化,这样等同于有了普通的代码。看下面的代码:
//在上面的cpp最后增加下面的显式实例化代码,其它都不变
templatevoid Demo::test<int>(constint &id);
  1. 外部模板
    外部模板的使用本质和显式声明没有太大的区别,它主要是显式的让编译器不再生成过多的实例代码。比如仍然是上面的例子,但在main函数调用前增加相关的外部模板声明:
externtemplatevoid TemplateDemo::getData<int>(constint &);
intmain(){}
  1. C++20模块的引入
    模块机制的引入并不能解决模板的分离编译,但可以从逻辑上解决对头文件的依赖问题,让模板编程更容易使用。

四、分析总结

从上面的分析来看,只要能在一个编译单元中看到相关模板的实现,就编译没有问题。或者说没有外部调用只在内部定义(延迟加载)也可以,但这种情况意义不大。所谓分离编译与不分离的编译,对编译器来说,都必须能够找到相关的符号链接地址,否则就是报错。这才是问题的重点。至于C++中模板为什么不使用分离编译,原因就在于两阶段查找和延迟加载,导致链接问题。当然如果强行使用分离编译,可能会引发更多的问题会付出更多的代价,反而得不偿失。

五、总结

分离编译有分离编译的优点比如容易定位错误位置、共享模块等;但对于模板来说,可能不分离编译能更好的支持模板的特性,这才是重点。正如反复提及的,最合适的就是最好的,这才是解决问题的态度。

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