11-10 在多个文件中使用函数模板

考虑以下无法正常运行的程序：

main.cpp：

#include <iostream>

template <typename T>
T addOne(T x); // function template forward declaration

int main()
{
    std::cout << addOne(1) << '\n';
    std::cout << addOne(2.3) << '\n';

    return 0;
}

add.cpp：

template <typename T>
T addOne(T x) // function template definition
{
    return x + 1;
}

若addOne为非模板函数，程序将正常运行：编译器在main.cpp中仅需addOne的前向声明即可满足要求，链接器会将main.cpp中对addOne()的调用与add.cpp中的函数定义正确关联。

但由于addOne是模板函数，程序运行失败并引发链接器错误：

在 main.cpp 中，我们调用了 addOne 和 addOne。然而由于编译器无法看到函数模板 addOne 的定义，它无法在 main.cpp 内实例化这些函数。但编译器确实看到了 addOne 的前向声明，因此会假设这些函数存在于其他地方，并将在后续链接时引入。

当编译器处理 add.cpp 时，会看到函数模板 addOne 的定义。但由于 add.cpp 中未使用该模板，编译器不会进行实例化。最终导致链接器无法将 main.cpp 中对 addOne 和 addOne 的调用与实际函数关联，因为这些函数从未被实例化。

顺带一提……
若add.cpp中实例化了这些函数，程序编译链接本可顺利完成。但此类解决方案存在脆弱性，应予以避免：若add.cpp后续修改导致函数不再实例化，程序将再次链接失败。或者当 main.cpp 调用 add.cpp 未实例化的 addOne 不同版本（如 addOne）时，同样会遇到相同问题。

解决此问题的最常规方法是将所有模板代码移至头文件 (.h) 而非源文件 (.cpp)：

add.h:

#ifndef ADD_H
#define ADD_H

template <typename T>
T addOne(T x) // function template definition
{
    return x + 1;
}

#endif

main.cpp:

#include "add.h" // import the function template definition
#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << addOne(1) << '\n';
    std::cout << addOne(2.3) << '\n';

    return 0;
}

这样，需要使用该模板的文件即可通过#include包含相关头文件，预处理器会将模板定义复制到源文件中。编译器随后就能实例化所需的函数。

您可能疑惑：为何这不会违反单定义规则（ODR）？ODR规定类型、模板、内联函数及内联变量可在不同文件中存在完全相同的定义。因此模板定义被复制到多个文件中并无问题（前提是每个定义完全一致）。

相关内容
我们在第2.7课——前向声明与定义中探讨过ODR。

那么实例化函数本身呢？若函数在多个文件中被实例化，如何避免违反ODR？答案在于：从模板隐式实例化的函数具有隐式内联属性。正如你所知，内联函数可在多个文件中定义，前提是每个文件的定义完全一致。

关键洞见
模板定义不受“单定义规则”中“每个程序仅允许一个定义”的限制，因此将相同的模板定义#include到多个源文件中并不构成问题。而从函数模板隐式实例化的函数具有隐式内联属性，只要每个定义完全一致，即可在多个文件中定义。
模板本身并非内联，因为内联概念仅适用于变量和函数。

以下是函数模板置于头文件中的另一个示例，使其可被多个源文件包含：

max.h:

#ifndef MAX_H
#define MAX_H

template <typename T>
T max(T x, T y)
{
    return (x < y) ? y : x;
}

#endif

foo.cpp:

#include "max.h" // import template definition for max<T>(T, T)
#include <iostream>

void foo()
{
	std::cout << max(3, 2) << '\n';
}

main.cpp:

#include "max.h" // import template definition for max<T>(T, T)
#include <iostream>

void foo(); // forward declaration for function foo

int main()
{
    std::cout << max(3, 5) << '\n';
    foo();

    return 0;
}

在上例中，main.cpp 和 foo.cpp 都包含了 #include “max.h”，因此两个文件中的代码都能使用 max(T, T) 函数模板。

最佳实践
需要在多个文件中使用的模板应定义在头文件中，然后在需要时通过 #include 引入。这能让编译器看到完整的模板定义，并在需要时实例化模板。