c++模板声明和定义编译过程的分析

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先把代码贴上来，这是c++ primer第4版习题16.17

首先，模板的声明和定义分开

<span style="font-size:18px;">//median.h
#ifndef __MEDIAN_H__
#define __MEDIAN_H__

#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace::std;

template <typename T>
bool median(const vector<T>&, T&);

//#include "median.cpp"

#endif</span>

<span style="font-size:18px;">//median.cpp
#include "median.h"
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace::std;

template <typename T>
bool median(const vector<T>& vec, T& middle){
	vector<T> temp(vec);
	if(temp.size() % 2 == 0)
		return false;
	sort(temp.begin(), temp.end());
	typename vector<T>::size_type index =  temp.size() / 2;
	if((temp[index] > temp[index - 1]) && (temp[index] < temp[index + 1])){
		middle = temp[index];
		return true;
	}
	else
		return false;
}</span>

<span style="font-size:18px;">#include "median.h"
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace::std;

int main()
{
    int ia1[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
    int ia2[] = {1, 2, 3, 4};
    int ia3[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    vector<int> ivec1(ia1, ia1+7);
    vector<int> ivec2(ia2, ia2+4);
    vector<int> ivec3(ia3, ia3+6);
    int m;
    
	if(median(ivec1, m))
		cout << "median:" << m << endl;
	else
		cout << "no median" << endl;
		
	if(median(ivec2, m))
		cout << "median:" << m << endl;
	else
		cout << "no median" << endl;
	if(median(ivec3, m))
		cout << "median:" << m << endl;
	else
		cout << "no median" << endl;
		
	return 0;
}</span>

1、如果头文件中不添加#include “median.cpp”的时候，程序运行报错。

分析原因应该是c++primer上写得模板与普通函数不同，进行实例化的时候，编译器必须能够访问定义模板的源代码，此处找不到源代码，所以显示未定义。

2、如果头文件中添加了#include “median.cpp”的时候，程序运行报错。

分析原因是应该是上面头文件中包含cpp，cpp又同样包含了头文件，然后就显示重复定义了。

为什么会有第二种错误呢？经过查资料才了解到，程序编译的过程。

首先分析一下普通的函数编译链接的基本过程：

主要内容在http://blog.csdn.net/bichenggui/article/details/4207084中有详细的介绍，我只针对部分进行分析一下。

从源代码生成exe文件要经过两步，编译和链接。

1 、编译过程中，一个编译单元（translation unit）是指一个.cpp文件以及它所#include的所有.h文件，.h文件里的代码将会被扩展到包含它的.cpp文件里，然后编译器编译该.cpp文件为一个.obj文件，并且本身包含的就已经是二进制码。

2、链接过程中，编译器将一个工程里的所有.cpp文件以分离的方式编译完毕后，再由连接器（linker）进行连接成为一个.exe文件。

借鉴一个例子：

<span style="font-size:18px;">//---------------test.h-------------------//
void f();//这里声明一个函数f

//---------------test.cpp--------------//

#include”test.h”
void f()
{
    …//do something
}  //这里实现出test.h中声明的f函数

//---------------main.cpp--------------//

#include”test.h”
int main()
{
    f(); //调用f，f具有外部连接类型
}</span>

链接阶段：在main.obj中对f的调用只会生成一行call指令，在编译时，这个call指令显然是错误的，因为main.obj中并无一行f的实现代码。那怎么办呢？这就是连接器的任务，连接器负责在其它的.obj中（本例为test.obj）寻找f的实现代码，找到以后将call f这个指令的调用地址换成实际的f的函数进入点地址。需要注意的是：连接器实际上将工程里的.obj“连接”成了一个.exe文件，而它最关键的任务就是上面说的，寻找一个外部连接符号在另一个.obj中的地址，然后替换原来的“虚假”地址

借助原文中的内容

call f这行指令其实并不是这样的，它实际上是所谓的stub，也就是一个jmp 0xABCDEF。这个地址可能是任意的，然而关键是这个地址上有一行指令来进行真正的call f动作。也就是说，这个.obj文件里面所有对f的调用都jmp向同一个地址，在后者那儿才真正”call”f。这样做的好处就是连接器修改地址时只要对后者的call XXX地址作改动就行了。但是，连接器是如何找到f的实际地址的呢（在本例中这处于test.obj中），因为.obj与.exe的格式是一样的，在这样的文件中有一个符号导入表和符号导出表（import table和export table）其中将所有符号和它们的地址关联起来。这样连接器只要在test.obj的符号导出表中寻找符号f（当然C++对f作了mangling）的地址就行了，然后作一些偏移量处理后（因为是将两个.obj文件合并，当然地址会有一定的偏移，这个连接器清楚）写入main.obj中的符号导入表中f所占有的那一项即可。

简单的来讲就是：

1、编译test.cpp时，编译器找到了f的实现，所以f的实现（二进制代码）出现在test.obj里。

2、编译main.cpp时，编译器不知道f的实现，所以当碰到对它的调用时只是给出一个指示，指示连接器应该为它寻找f的实现体。这也就是说main.obj中没有关于f的任何一行二进制代码

3、链接时，链接器在test.obj中找到f的实现代码（二进制）的地址（通过符号导出表），然后将main.obj中悬而未决的call XXX地址改成f实际的地址。

接下来，分析一下函数模板编译的过程，最主要的特点是C++标准明确表示，当一个模板不被用到的时侯它就不该被实例化出来。

“main.cpp”中需要掉用模板函数，但是在所包含的头文件中没有该函数的实现，所以在编译过程中，同样没有生成对应的二进制代码，只能寄希望于链接过程中能够在其他.obj里面找到对应的函数的实例，但是在“median.cpp”中的median(const vector<T>& vec, T& middle)，没有被实例化，简单说就是在编译生成的median.o中没有二进制代码。所以，在最后链接过程中找不到该函数的定义，只能报错。

针对以上的问题，在网上查找，发现，为了避免这个情况，只能讲函数声明和函数定义，类的声明和类的定义，写在同一文件中，起名问.hpp文件，这样调用模板的时候可以看得到实现的源代码，不会出现以上情况。

补充一点：hpp,其实质就是将.cpp的实现代码混入.h头文件当中，定义与实现都包含在同一文件，则该类的调用者只需要include该hpp文件即可，无需再 将cpp加入到project中进行编译。而实现代码将直接编译到调用者的obj文件中，不再生成单独的obj,采用hpp将大幅度减少调用 project中的cpp文件数与编译次数，也不用再发布烦人的lib与dll,因此非常适合用来编写公用的开源库。

不知道有什么更好的方法可以解决这个问题，希望看到的朋友，能给个建议。

c++模板声明和定义编译过程的分析

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原文地址：http://blog.csdn.net/denkensk/article/details/45312013