如何组织编写模板程序 (How To Organize Template Source Code)

如何组织编写模板程序

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：
// array.h
template <typename T, int SIZE>
class array
{
    T data_[SIZE];
    array (const array& other);
    const array& operator = (const array& other);
public:
    array(){};
    T& operator[](int i) {return data_[i];}
    const T& get_elem (int i) const {return data_[i];}
    void set_elem(int i, const T& value) {data_[i] = value;}
    operator T*() {return data_;}      
};            
            
然后在main.cpp文件中的主函数中使用上述模板：
// main.cpp
#include "array.h"

int main(void)
{
array<int, 50> intArray;
intArray.set_elem(0, 2);
int firstElem = intArray.get_elem(0);
int* begin = intArray;
}
        
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)
// array.h        
template <typename T, int SIZE>
class array
{
      T data_[SIZE];
      array (const array& other);
      const array& operator = (const array& other);
  public:
      array(){};
      T& operator[](int i);
      const T& get_elem (int i) const;
      void set_elem(int i, const T& value);
      operator T*();      
};        
    
// array.cpp
#include "array.h"

template<typename T, int SIZE> T& array<T, SIZE>::operator [](int i)
    {
    return data_[i];
    }

template<typename T, int SIZE> const T& array<T, SIZE>::get_elem(int i) const
    {
    return data_[i];
    }

template<typename T, int SIZE> void array<T, SIZE>::set_elem(int i, const T& value)
    {
    data_[i] = value;
    }
template<typename T, int SIZE> array<T, SIZE>::operator T*()
    {
    return data_;
    }
        
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。