me:谈到了显式实例化
如何组织编写模板程序
发表日期： 1/21/2003 12:28:58 PM
发表人： Nemanja Trifunovic
前言
常遇到询问使用模板到底是否容易的问题，我的回答是：“
模板的使用是容易的，但组织编写却不容易
”
。看看我们几乎每天都能遇到的
模板类
吧，如STL, ATL, WTL,
以及
Boost
的
模板类
，都能体会到这样的滋味：接口简单，操作复杂。
我在5
年前开始使用模板，那时我看到了
MFC
的容器类。直到去年我还没有必要自己编写
模板类
。可是在我需要自己编写
模板类
时，我首先遇到的事实却是“
传统
”
编程方法
(
在
*.h
文件
声明
，在*.cpp
文件中定义
)
不能用于模板。于是我花费一些时间来了解问题所在及其解决方法。
本文对象是那些熟悉模板但还没有很多编写模板经验的程序员。本文只涉及
模板类
，未涉及模板函数。但论述的原则对于二者是一样的。
问题的产生
通过下例来说明问题。例如在array.h
文件中有
模板类
array：
然后在main.cpp
文件中的主函数中使用上述模板：
这时编译和运行都是正常的。程序先创建一个含有50
个整数的数组，然后设置数组的第一个元素值为
2
，再读取第一个元素值，最后将指针指向数组起点。
但如果用传统编程方式来编写会发生什么事呢？我们来看看：
将array.h
文件分裂成为
array.h
和
array.cpp
二个文件
(main.cpp
保持不变
)
编译时会出现3
个错误。问题出来了：
为什么错误都出现在第一个地方？
为什么只有3
个链接出错？
array.cpp
中有
4
个成员函数。
要回答上面的问题，就要深入了解模板的实例化过程。
模板实例化
程序员在使用
模板类
时最常犯的错误是将
模板类
视为某种数据类型。所谓类型参量化(parameterized types)
这样的术语导致了这种误解。模板当然不是数据类型，模板就是模板，恰如其名：
编译器使用模板，通过更换模板参数来创建数据类型。这个过程就是模板实例化(Instantiation)
。
从
模板类
创建得到的类型称之为特例(specialization)
。
模板实例化取决于编译器能够找到可用代码来创建特例(
称之为实例化要素，
point of instantiation)。
要创建特例，编译器不但要看到模板的
声明
，还要看到模板的定义。
模板实例化过程是迟钝的，即只能用函数的定义来实现实例化。
再回头看上面的例子，可以知道array
是一个模板，
array<int, 50>
是一个模板实例
-
一个类型。从
array
创建
array<int, 50>
的过程就是实例化过程。实例化要素体现在
main.cpp
文件中。如果按照传统方式，编译器在
array.h
文件中看到了模板的
声明
，但没有模板的定义，这样编译器就不能创建类型array<int, 50>
。但这时并不出错，因为编译器认为模板定义在其它文件中，就把问题留给链接程序处理。
现在，编译array.cpp
时会发生什么问题呢？编译器可以解析模板定义并检查语法，但不能生成成员函数的代码。它无法生成代码，因为要生成代码，需要知道模板参数，即需要一个类型，而不是模板本身。
这样，链接程序在main.cpp
或
array.cpp
中都找不到
array<int, 50>
的定义，于是报出无定义成员的错误。
至此，我们回答了第一个问题。但还有第二个问题，在array.cpp
中有
4
个成员函数，链接器为什么只报了
3
个错误？回答是：实例化的惰性导致这种现象。在
main.cpp
中还没有用上
operator[]
，编译器还没有实例化它的定义。
解决方法
认识了问题，就能够解决问题：
在实例化要素中让编译器看到模板定义。
用另外的文件来显式地实例化类型，这样链接器就能看到该类型。
使用export
关键字。
前二种方法通常称为包含模式，第三种方法则称为分离模式。
第一种方法意味着在使用模板的转换文件中不但要包含模板
声明
文件，还要包含模板定义文件。在上例中，就是第一个示例，在array.h
中用行内函数定义了所有的成员函数。或者在
main.cpp
文件中也包含进
array.cpp
文件。这样编译器就能看到模板的
声明
和定义，并由此生成array<int, 50>
实例。这样做的缺点是编译文件会变得很大，显然要降低编译和链接速度。
第二种方法，通过显式的模板实例化得到类型。最好将所有的显式实例化过程安放在另外的文件中。在本例中，可以创建一个新文件templateinstantiations.cpp
：
// templateinstantiations.cpp
#include "array.cpp"
template class array <int, 50>; // 显式实例化
array<int, 50>类型不是在
main.cpp
中产生，而是在
templateinstantiations.cpp
中产生。这样链接器就能够找到它的定义。用 这种方法，不会产生巨大的头文件，加快编译速度。而且头文件本身也显得更加
“
干净
”
和更具有可读性。但这个方法不能得到惰性实例化的好处，即它将显式地生 成所有的成员函数。另外还要维护
templateinstantiations.cpp
文件。
第三种方法是在模板定义中使用export
关键字，剩下的事就让编译器去自行处理了。当我在
Stroustrup的书中读到
export
时，感到非常兴奋。但很快就发现
VC 6.0
不支持它，后来又发现根本没有编译器能够支持这个关键字
(
第一个支持它的编译器要在
2002
年底才问世
)
。自那以后，我阅读了不少关于
export
的文章，了解到它几乎不能解决用包含模式能够解决的问题。欲知更多的
export
关键字，建议读读
Herb Sutter
撰写的文章。
结论
要开发模板库，就要知道
模板类
不是所谓的"
原始类型
"
，要用其它的编程思路。本文目的不是要吓唬那些想进行模板编程的程序员。恰恰相反，是要提醒他们避免犯下开始模板编程时都会出现的错误。
me:显式实例化完整代码如下