11.10 — 在多个文件中使用函数模板

考虑以下程序，它无法正常工作

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;
}

如果 addOne 是一个非模板函数，这个程序会正常工作：在 main.cpp 中，编译器会接受 addOne 的前向声明，并且链接器会将 main.cpp 中对 addOne() 的调用连接到 add.cpp 中的函数定义。

但由于 addOne 是一个模板，这个程序无法工作，我们得到一个链接器错误

1>Project6.obj : error LNK2019: unresolved external symbol "int __cdecl addOne<int>(int)" (??$addOne@H@@YAHH@Z) referenced in function _main
1>Project6.obj : error LNK2019: unresolved external symbol "double __cdecl addOne<double>(double)" (??$addOne@N@@YANN@Z) referenced in function _main

在 main.cpp 中，我们调用 addOne<int> 和 addOne<double>。然而，由于编译器看不到函数模板 addOne 的定义，它无法在 main.cpp 内部实例化这些函数。它确实看到了 addOne 的前向声明，并会假设这些函数存在于其他地方，并且稍后会被链接。

当编译器编译 add.cpp 时，它会看到函数模板 addOne 的定义。然而，在 add.cpp 中没有使用这个模板，所以编译器不会实例化任何东西。最终结果是链接器无法将 main.cpp 中对 addOne<int> 和 addOne<double> 的调用连接到实际函数，因为这些函数从未被实例化。

解决此问题的最常规方法是将所有模板代码放在头文件 (.h) 中，而不是源文件 (.cpp) 中

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，任何需要访问模板的文件都可以 #include 相关的头文件，模板定义将由预处理器复制到源文件中。然后编译器就能实例化任何需要的函数。

你可能想知道这为什么不会导致违反单一定义规则 (ODR)。ODR 规定类型、模板、内联函数和内联变量允许在不同的文件中具有相同的定义。因此，如果模板定义被复制到多个文件中（只要每个定义都相同），就没有问题。

但那些被实例化的函数本身呢？如果一个函数在多个文件中被实例化，这怎么不会导致违反 ODR 呢？答案是，从模板隐式实例化的函数是隐式内联的。正如你所知，内联函数可以在多个文件中定义，只要每个定义都相同。

这是另一个将函数模板放在头文件中，以便可以将其包含到多个源文件中的示例

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;
}

在上面的示例中，main.cpp 和 foo.cpp 都 #include "max.h"，因此两个文件中的代码都可以使用 max<T>(T, T) 函数模板。