Это связано с требованием отдельной компиляции и потому, что шаблоны являются полиморфизмом типа создания экземпляров.

Давайте немного приблизимся к конкретному для объяснения. Скажем, у меня есть следующие файлы:

• foo.h объявляет интерфейс class MyClass<T>
• foo.cpp определяет реализацию class MyClass<T>
• bar.cpp использует MyClass<int>

. Отдельное средство компиляции. Я должен скомпилировать foo.cpp независимо от bar.cpp. Компилятор полностью выполняет всю сложную работу по анализу, оптимизации и генерации кода на каждом модуле компиляции; нам не нужно анализировать целую программу. Только компоновщик должен обрабатывать всю программу одновременно, и задача компоновщика значительно упрощается.

bar.cpp даже не нужно существовать при компиляции foo.cpp, но я все равно должен быть в состоянии связать foo.o Я уже имел вместе с bar.o Я только что выпустил, не перекомпилируя foo.cpp. foo.cpp может даже быть скомпилирован в динамическую библиотеку, распределенную где-то в другом месте без foo.cpp, и связан с кодом, который они пишут спустя годы после того, как я написал foo.cpp.

«Полиморфизм в стиле объектов» означает, что template MyClass<T> не является общим классом, который может быть скомпилирован в код, который может работать для любого значения T. Это добавит накладные расходы, такие как бокс, необходимо передать указатели на функции для распределителей и конструкторов и т. Д. Намерение шаблонов C ++ состоит в том, чтобы избежать необходимости писать почти идентичные class MyClass_int, class MyClass_float и т. Д., Но все же быть в состоянии закончить с компилируемым кодом, который в основном выглядит так, как если бы мы имели каждую версию отдельно. Таким образом, шаблон является буквально шаблоном; шаблон класса не класс, это рецепт создания нового класса для каждого T, с которым мы сталкиваемся. Шаблон не может быть скомпилирован в код, только результат создания экземпляра шаблона может быть скомпилирован.

Итак, когда foo.cpp скомпилирован, компилятор не может видеть bar.cpp, чтобы знать, что MyClass<int> необходимо. Он может видеть шаблон MyClass<T>, но он не может испускать код для этого (это шаблон, а не класс). И когда компилируется bar.cpp, компилятор может видеть, что ему нужно создать MyClass<int>, но он не может видеть шаблон MyClass<T> (только его интерфейс в foo.h), поэтому он не может его создать.

Если foo.cpp сам использует MyClass<int>, тогда код для него будет сгенерирован при компиляции foo.cpp, поэтому, когда bar.o связан с foo.o, они могут быть подключены и будут работать. Мы можем использовать этот факт, чтобы позволить конечный набор экземпляров шаблонов быть реализован в .cpp-файле, написав один шаблон. Но bar.cpp не может использовать шаблон в качестве шаблона и создавать его на всех типах, которые ему нравятся; он может использовать только ранее существовавшие версии шаблона, которые автор foo.cpp думал предоставить.

Вы можете подумать, что при компиляции шаблона компилятор должен «сгенерировать все версии», с теми, которые никогда не используются, отфильтровываются во время связывания. Помимо огромных накладных расходов и экстремальных трудностей, с которыми сталкивался такой подход, поскольку «модификаторы типа», такие как указатели и массивы, позволяют даже встроенным типам создавать бесконечное количество типов, что происходит, когда я расширяю свою программу добавив:

• baz.cpp объявляет и реализует class BazPrivate и использует MyClass<BazPrivate>

Невозможно, чтобы это могло работать, если мы либо

1. Необходимо перекомпилировать foo.cpp каждый раз, когда мы меняем любой другой файл в программе , в случае, если он добавил новый романный экземпляр MyClass<T>
2. Требовать, чтобы baz.cpp содержал (возможно, через заголовок) полный шаблон MyClass<T>, чтобы компилятор мог генерировать MyClass<BazPrivate> во время компиляции baz.cpp.

Никто не любит (1), потому что системы компиляции целых программ принимают forever для компиляции и потому что это делает невозможным распространение компилированных библиотек без исходного кода. Итак, у нас есть (2).

На самом деле, версии стандарта C ++ до того, как C ++ 11 определили ключевое слово «export», [] , можно просто объявить шаблоны в файле заголовка и реализовать их в другом месте.

К сожалению, ни один из популярных компиляторов не реализовал это ключевое слово. Единственный, о котором я знаю, - это интерфейс, написанный Edison Design Group, который используется компилятором Comeau C ++. Все остальные настаивали на том, что вы пишете шаблоны в заголовочных файлах, нуждающихся в определении кода для надлежащего создания экземпляра (как уже указывали другие).

В результате стандартная комиссия ISO C ++ решила удалить export особенность шаблонов, начинающихся с C ++ 11.

Если проблема заключается в дополнительном времени компиляции и раздувании бинарного размера, полученном путем компиляции .h как части всех используемых им .cpp-модулей, во многих случаях то, что вы можете сделать, - это сделать класс шаблона опустившимся из не-шаблонного базовый класс для не зависящих от типа частей интерфейса, и что базовый класс может иметь свою реализацию в файле .cpp.

Это означает, что наиболее переносимым способом определения реализации методов классов шаблонов является определение их внутри определения класса шаблона.

template < typename ... >
class MyClass
{

    int myMethod()
    {
       // Not just declaration. Add method implementation here
    }
};

Шаблоны должны использоваться в заголовках, потому что компилятор должен создавать экземпляры разных версий кода в зависимости от параметров, заданных / выведенных для параметров шаблона. Помните, что шаблон не представляет собой код напрямую, а шаблон для нескольких версий этого кода. Когда вы компилируете функцию non-template в файле .cpp, вы компилируете конкретную функцию / класс. Это не относится к шаблонам, которые могут быть созданы с использованием разных типов, а именно, если при замене параметров шаблона конкретными типами необходимо исправить конкретный код.

Была функция с ключевым словом export, которая была предназначенный для отдельной компиляции. Функция export устарела в C++11 и, AFAIK, только один компилятор реализовал ее. Вы не должны использовать export. Отдельная компиляция невозможна в C++ или C++11, но, возможно, в C++17, если понятия в нее входят, мы могли бы иметь некоторый способ отдельной компиляции.

Для отдельной компиляции, которая должна быть достигнута, разделить проверка шаблона тела должна быть возможна. Кажется, что решение возможно с концепциями. Взгляните на этот документ , недавно представленный на совещании по стандартам. Я думаю, что это не единственное требование, поскольку вам все равно необходимо создать код кода шаблона в коде пользователя.

Отдельная проблема компиляции для шаблонов, я думаю, это также проблема, возникающая при миграции на модули, которые в настоящее время работают.

Здесь много правильных ответов, но я хотел добавить это (для полноты):

Если вы в нижней части файла cpp реализации выполняете явное инстанцирование всех типов, которые будут использоваться шаблоном с, компоновщик сможет найти их как обычно.

Изменить: добавление примера явного создания экземпляра шаблона. Используется после того, как шаблон определен, и определены все функции-члены.

template class vector<int>;

Это создаст экземпляр (и, следовательно, сделает доступным для компоновщика) класс и все его функции-члены (только). Подобный синтаксис работает для функций шаблона, поэтому, если у вас есть перегрузки операторов, не являющихся членами, вам может понадобиться сделать то же самое для них.

Вышеприведенный пример бесполезен, поскольку вектор полностью определен в заголовках, за исключением случаев, когда common include file (precompiled header?) использует extern template class vector<int>, чтобы не создавать его из всех других (1000?) файлов, которые используют вектор.

Хотя стандарт C ++ не имеет такого требования, некоторым компиляторам требуется, чтобы все шаблоны функций и классов были доступны в каждой используемой системе переводов. Фактически для этих компиляторов тела шаблонных функций должны быть доступны в файле заголовка. Повторить: это означает, что эти компиляторы не позволят их определять в файлах без заголовка, таких как .cpp-файлы

Существует ключевое слово export , которое должно смягчать этот проблема, но он нигде не близок к тому, чтобы быть портативным.

При компиляции шаблоны должны быть созданы экземплярами , прежде чем их компилировать в объектный код. Это создание может быть достигнуто только в том случае, если известны аргументы шаблона. Теперь представьте сценарий, в котором функция шаблона объявлена ​​в a.h, определенная в a.cpp и используемая в b.cpp. Когда компилируется a.cpp, не обязательно известно, что для предстоящей компиляции b.cpp потребуется экземпляр шаблона, не говоря уже о том, какой конкретный экземпляр это будет.

Можно утверждать, что компиляторы можно сделать умнее, чтобы «смотреть вперед» для всех применений шаблона, но я уверен, что это было бы нелегко создавать рекурсивные или другие сложные сценарии. AFAIK, компиляторы этого не делают. Как заметил Антон, некоторые компиляторы поддерживают явные декларации экспорта экземпляров шаблонов, но не все компиляторы поддерживают его (пока?).

Хотя есть много хороших объяснений выше, я пропускаю практический способ разделения шаблонов на заголовок и тело. Моя главная задача - избегать перекомпиляции всех пользователей шаблонов, когда я меняю свое определение. Все экземпляры шаблонов в корпусе шаблона не являются жизнеспособным решением для меня, поскольку автор шаблона может не знать всех, если его использование и пользователь шаблона могут не иметь права его модифицировать. Я принял следующий подход, который также работает и для более старых компиляторов (gcc 4.3.4, aCC A.03.13).

Для каждого использования шаблона в его собственном файле заголовка (сгенерированном из модели UML) имеется typedef, , Его тело содержит экземпляр (который заканчивается в библиотеке, которая связана в конце). Каждый пользователь шаблона включает этот файл заголовка и использует typedef.

Схематический пример:

MyTemplate.h:

#ifndef MyTemplate_h
#define MyTemplate_h 1

template <class T>
class MyTemplate
{
public:
  MyTemplate(const T& rt);
  void dump();
  T t;
};

#endif

MyTemplate.cpp:

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

template <class T>
MyTemplate<T>::MyTemplate(const T& rt)
: t(rt)
{
}

template <class T>
void MyTemplate<T>::dump()
{
  cerr << t << endl;
}

MyInstantiatedTemplate.h:

#ifndef MyInstantiatedTemplate_h
#define MyInstantiatedTemplate_h 1
#include "MyTemplate.h"

typedef MyTemplate< int > MyInstantiatedTemplate;

#endif

MyInstantiatedTemplate.cpp:

#include "MyTemplate.cpp"

template class MyTemplate< int >;

main.cpp:

#include "MyInstantiatedTemplate.h"

int main()
{
  MyInstantiatedTemplate m(100);
  m.dump();
  return 0;
}

Таким образом, нужно будет перекомпилировать только экземпляры шаблонов, не всех пользователей шаблонов (и зависимостей).

Компилятор будет генерировать код для каждого экземпляра шаблона при использовании шаблона во время этапа компиляции. В процессе компиляции и компоновки файлы .cpp преобразуются в чистый объектный или машинный код, который в них содержит ссылки или неопределенные символы, поскольку файлы .h, которые включены в ваш main.cpp, не имеют реализации YET. Они готовы быть связаны с другим объектным файлом, который определяет реализацию для вашего шаблона, и, следовательно, у вас есть полный исполняемый файл a.out. Однако, поскольку шаблоны необходимо обрабатывать на этапе компиляции, чтобы сгенерировать код для каждого экземпляра шаблона, который вы делаете в своей основной программе, ссылка не поможет, поскольку компиляция main.cpp в main.o, а затем компиляция вашего шаблона .cpp в template.o, а затем ссылка не будет достигать цели шаблонов, потому что я связываю различные экземпляры шаблонов с одной и той же реализацией шаблона! И шаблоны должны делать обратное, т. Е. Иметь одну реализацию, но допускать много доступных экземпляров посредством использования одного класса.

Значение typename T get заменяется во время этапа компиляции, а не на этапе связывания, поэтому, если я попытаюсь для компиляции шаблона без замены T в качестве конкретного типа значения, чтобы он не работал, потому что это определение шаблонов - это процесс времени компиляции, а мета-программирование btw - все об использовании этого определения.

Просто добавьте что-то примечательное здесь.

myQueue.hpp:

template <class T> 
class QueueA {
    int size;
    ...
public:
    template <class T> T dequeue() {
       // implementation here
    }

    bool isEmpty();

    ...
}    

myQueue можно определить методы шаблонного класса, которые просто прекрасны в файле реализации. cpp:

// implementation of regular methods goes like this:
template <class T> bool QueueA<T>::isEmpty() {
    return this->size == 0;
}


main()
{
    QueueA<char> Q;

    ...
}

Способ иметь отдельную реализацию выглядит следующим образом.

//inner_foo.h

template <typename T>
struct Foo
{
    void doSomething(T param);
};


//foo.tpp
#include "inner_foo.h"
template <typename T>
void Foo<T>::doSomething(T param)
{
    //implementation
}


//foo.h
#include <foo.tpp>

//main.cpp
#include <foo.h>

inner_foo имеет форвардные объявления. foo.tpp имеет реализацию и включает inner_foo.h; и foo.h будет иметь только одну строку, чтобы включить foo.tpp.

Во время компиляции содержимое foo.h копируется в foo.tpp, а затем весь файл копируется в foo.h после который он компилирует. Таким образом, ограничений нет, и именование согласовано в обмен на один дополнительный файл.

Я делаю это, потому что статические анализаторы для кода разбиваются, когда он не видит передовые объявления класса в * .tpp. Это раздражает при написании кода в любой среде IDE или с помощью YouCompleteMe или других.