如何組織編寫模板程序
前言
常遇到詢問使用模板到底是否容易的問題，我的回答是：“模板的使用是容易的，但組織編寫卻不容易”。看看我們幾乎每天都能遇到的模板類吧，如STL, ATL, WTL, 以及Boost的模板類，都能體會到這樣的滋味：接口簡單，操作複雜。
我在5年前開始使用模板，那時我看到了MFC的容器類。直到去年我還沒有必要自己編寫模板類。可是在我需要自己編寫模板類時，我首先遇到的事實卻是“傳統”編程方法(在*.h文件聲明，在*.cpp文件中定義)不能用於模板。於是我花費一些時間來了解問題所在及其解決方法。
本文對象是那些熟悉模板但還沒有很多編寫模板經驗的程序員。本文只涉及模板類，未涉及模板函數。但論述的原則對於二者是一樣的。
問題的產生
通過下例來說明問題。例如在array.h文件中有模板類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_;}
};
然後在main.cpp文件中的主函數中使用上述模板：
// 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;
}
這時編譯和運行都是正常的。程序先創建一個含有50個整數的數組，然後設置數組的第一個元素值爲2，再讀取第一個元素值，最後將指針指向數組起點。
但如果用傳統編程方式來編寫會發生什麼事呢？我們來看看：
將array.h文件分裂成爲array.h和array.cpp二個文件(main.cpp保持不變)
// 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_;
}
編譯時會出現3個錯誤。問題出來了：
爲什麼錯誤都出現在第一個地方？
爲什麼只有3個鏈接出錯？array.cpp中有4個成員函數。
要回答上面的問題，就要深入瞭解模板的實例化過程。
模板實例化
程序員在使用模板類時最常犯的錯誤是將模板類視爲某種數據類型。所謂類型參量化(parameterized types)這樣的術語導致了這種誤解。模板當然不是數據類型，模板就是模板，恰如其名：
編譯器使用模板，通過更換模板參數來創建數據類型。這個過程就是模板實例化(Instantiation)。
從模板類創建得到的類型稱之爲特例(specialization)。
模板實例化取決於編譯器能夠找到可用代碼來創建特例(稱之爲實例化要素，
point of instantiation)。
要創建特例，編譯器不但要看到模板的聲明，還要看到模板的定義。
模板實例化過程是遲鈍的，即只能用函數的定義來實現實例化。
再回頭看上面的例子，可以知道array是一個模板，array<int, 50>是一個模板實例 - 一個類型。從array創建array<int, 50>的過程就是實例化過程。實例化要素體現在main.cpp文件中。如果按照傳統方式，編譯器在array.h文件中看到了模板的聲明，但沒有模板的定義，這樣編譯器就不能創建類型array<int, 50>。但這時並不出錯，因爲編譯器認爲模板定義在其它文件中，就把問題留給鏈接程序處理。
現在，編譯array.cpp時會發生什麼問題呢？編譯器可以解析模板定義並檢查語法，但不能生成成員函數的代碼。它無法生成代碼，因爲要生成代碼，需要知道模板參數，即需要一個類型，而不是模板本身。
這樣，鏈接程序在main.cpp 或 array.cpp中都找不到array<int, 50>的定義，於是報出無定義成員的錯誤。
至此，我們回答了第一個問題。但還有第二個問題，在array.cpp中有4個成員函數，鏈接器爲什麼只報了3個錯誤？回答是：實例化的惰性導致這種現象。在main.cpp中還沒有用上operator[]，編譯器還沒有實例化它的定義。
解決方法
認識了問題，就能夠解決問題：
在實例化要素中讓編譯器看到模板定義。
用另外的文件來顯式地實例化類型，這樣鏈接器就能看到該類型。
使用export關鍵字。
前二種方法通常稱爲包含模式，第三種方法則稱爲分離模式。
第一種方法意味着在使用模板的轉換文件中不但要包含模板聲明文件，還要包含模板定義文件。在上例中，就是第一個示例，在array.h中用行內函數定義了所有的成員函數。或者在main.cpp文件中也包含進array.cpp文件。這樣編譯器就能看到模板的聲明和定義，並由此生成array<int, 50>實例。這樣做的缺點是編譯文件會變得很大，顯然要降低編譯和鏈接速度。
第二種方法，通過顯式的模板實例化得到類型。最好將所有的顯式實例化過程安放在另外的文件中。在本例中，可以創建一個新文件templateinstantiations.cpp：
// templateinstantiations.cpp
#include "array.cpp"
template class array <int, 50>; // 顯式實例化
array<int, 50>類型不是在main.cpp中產生，而是在templateinstantiations.cpp中產生。這樣鏈接器就能夠找到它的定義。用這種方法，不會產生巨大的頭文件，加快編譯速度。而且頭文件本身也顯得更加“乾淨”和更具有可讀性。但這個方法不能得到惰性實例化的好處，即它將顯式地生成所有的成員函數。另外還要維護templateinstantiations.cpp文件。
第三種方法是在模板定義中使用export關鍵字，剩下的事就讓編譯器去自行處理了。當我在
Stroustrup的書中讀到export時，感到非常興奮。但很快就發現VC 6.0不支持它，後來又發現根本沒有編譯器能夠支持這個關鍵字(第一個支持它的編譯器要在2002年底才問世)。自那以後，我閱讀了不少關於export的文章，瞭解到它幾乎不能解決用包含模式能夠解決的問題。欲知更多的export關鍵字，建議讀讀Herb Sutter撰寫的文章。
結論
要開發模板庫，就要知道模板類不是所謂的"原始類型"，要用其它的編程思路。本文目的不是要嚇唬那些想進行模板編程的程序員。恰恰相反，是要提醒他們避免犯下開始模板編程時都會出現的錯誤。
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http://www.cnblogs.com/xgchang/archive/2004/11/12/63139.aspx
甚至是在定義非內聯函數時，模板的頭文件中也會放置所有的聲明和定義。這似乎違背了通常的頭文件規則：“不要在分配存儲空間前放置任何東西”，這條規則是爲了防止在連接時的多重定義錯誤。但模板定義很特殊。由template<...>處理的任何東西都意味着編譯器在當時不爲它分配存儲空間，它一直出於等待狀態直到被一個模板實例告知。在編譯器和連接器的某一處，有一機制能去掉模板的多重定義，所以爲了容易使用，幾乎總是在頭文件中放置全部的模板聲明和定義。
爲什麼C++編譯器不能支持對模板的分離式編譯
劉未鵬(pongba) /文
首先，C++標準中提到，一個編譯單元[translation unit]是指一個.cpp文件以及它所include的所有.h文件，.h文件裏的代碼將會被擴展到包含它的.cpp文件裏，然後編譯器編譯該.cpp文件爲一個.obj文件，後者擁有PE[Portable Executable,即windows可執行文件]文件格式，並且本身包含的就已經是二進制碼，但是，不一定能夠執行，因爲並不保證其中一定有main函數。當編譯器將一個工程裏的所有.cpp文件以分離的方式編譯完畢後，再由連接器(linker)進行連接成爲一個.exe文件。
舉個例子：
//---------------test.h-------------------//
void f();//這裏聲明一個函數f
//---------------test.cpp--------------//
#include”test.h”
void f()
{
…//do something
} //這裏實現出test.h中聲明的f函數
//---------------main.cpp--------------//
#include”test.h”
int main()
{
f(); //調用f，f具有外部連接類型
}
在這個例子中，test. cpp和main.cpp各被編譯成爲不同的.obj文件[姑且命名爲test.obj和main.obj]，在main.cpp中，調用了f函數，然而當編譯器編譯main.cpp時，它所僅僅知道的只是main.cpp中所包含的test.h文件中的一個關於void f();的聲明，所以，編譯器將這裏的f看作外部連接類型，即認爲它的函數實現代碼在另一個.obj文件中，本例也就是test.obj，也就是說，main.obj中實際沒有關於f函數的哪怕一行二進制代碼，而這些代碼實際存在於test.cpp所編譯成的test.obj中。在main.obj中對f的調用只會生成一行call指令，像這樣：
call f [C++中這個名字當然是經過mangling[處理]過的]
在編譯時，這個call指令顯然是錯誤的，因爲main.obj中並無一行f的實現代碼。那怎麼辦呢？這就是連接器的任務，連接器負責在其它的.obj中[本例爲test.obj]尋找f的實現代碼，找到以後將call f這個指令的調用地址換成實際的f的函數進入點地址。需要注意的是：連接器實際上將工程裏的.obj“連接”成了一個.exe文件，而它最關鍵的任務就是上面說的，尋找一個外部連接符號在另一個.obj中的地址，然後替換原來的“虛假”地址。
這個過程如果說的更深入就是：
call f這行指令其實並不是這樣的，它實際上是所謂的stub，也就是一個
jmp 0x23423[這個地址可能是任意的，然而關鍵是這個地址上有一行指令來進行真正的call f動作。也就是說，這個.obj文件裏面所有對f的調用都jmp向同一個地址，在後者那兒才真正”call”f。這樣做的好處就是連接器修改地址時只要對後者的call XXX地址作改動就行了。但是，連接器是如何找到f的實際地址的呢[在本例中這處於test.obj中]，因爲.obj於.exe的格式都是一樣的，在這樣的文件中有一個符號導入表和符號導出表[import table和export table]其中將所有符號和它們的地址關聯起來。這樣連接器只要在test.obj的符號導出表中尋找符號f[當然C++對f作了mangling]的地址就行了，然後作一些偏移量處理後[因爲是將兩個.obj文件合併，當然地址會有一定的偏移，這個連接器清楚]寫入main.obj中的符號導入表中f所佔有的那一項。
這就是大概的過程。其中關鍵就是：
編譯main.cpp時，編譯器不知道f的實現，所有當碰到對它的調用時只是給出一個指示，指示連接器應該爲它尋找f的實現體。這也就是說main.obj中沒有關於f的任何一行二進制代碼。
編譯test.cpp時，編譯器找到了f的實現。於是乎f的實現[二進制代碼]出現在test.obj裏。
連接時，連接器在test.obj中找到f的實現代碼[二進制]的地址[通過符號導出表]。然後將main.obj中懸而未決的call XXX地址改成f實際的地址。
完成。
然而，對於模板，你知道，模板函數的代碼其實並不能直接編譯成二進制代碼，其中要有一個“具現化”的過程。舉個例子：
//----------main.cpp------//
template<class T>
void f(T t)
{}
int main()
{
…//do something
f(10); //call f<int> 編譯器在這裏決定給f一個f<int>的具現體
…//do other thing
}
也就是說，如果你在main.cpp文件中沒有調用過f，f也就得不到具現，從而main.obj中也就沒有關於f的任意一行二進制代碼！！如果你這樣調用了：
f(10); //f<int>得以具現化出來
f(10.0); //f<double>得以具現化出來
這樣main.obj中也就有了f<int>,f<double>兩個函數的二進制代碼段。以此類推。
然而具現化要求編譯器知道模板的定義，不是嗎？
看下面的例子：[將模板和它的實現分離]
//-------------test.h----------------//
template<class T>
class A
{
public:
void f(); //這裏只是個聲明
};
//---------------test.cpp-------------//
#include”test.h”
template<class T>
void A<T>::f() //模板的實現，但注意：不是具現
{
…//do something
}
//---------------main.cpp---------------//
#include”test.h”
int main()
{
A<int> a;
a. f(); //編譯器在這裏並不知道A<int>::f的定義，因爲它不在test.h裏面
//於是編譯器只好寄希望於連接器，希望它能夠在其他.obj裏面找到
//A<int>::f的實現體,在本例中就是test.obj，然而，後者中真有A<int>::f的
//二進制代碼嗎？NO！！！因爲C++標準明確表示，當一個模板不被用到的時
//侯它就不該被具現出來，test.cpp中用到了A<int>::f了嗎？沒有！！所以實
//際上test.cpp編譯出來的test.obj文件中關於A::f的一行二進制代碼也沒有
//於是連接器就傻眼了，只好給出一個連接錯誤
//但是，如果在test.cpp中寫一個函數，其中調用A<int>::f，則編譯器會將其//具現出來，因爲在這個點上[test.cpp中]，編譯器知道模板的定義，所以能//夠具現化，於是，test.obj的符號導出表中就有了A<int>::f這個符號的地
//址，於是連接器就能夠完成任務。
}
關鍵是：在分離式編譯的環境下，編譯器編譯某一個.cpp文件時並不知道另一個.cpp文件的存在，也不會去查找[當遇到未決符號時它會寄希望於連接器]。這種模式在沒有模板的情況下運行良好，但遇到模板時就傻眼了，因爲模板僅在需要的時候纔會具現化出來，所以，當編譯器只看到模板的聲明時，它不能具現化該模板，只能創建一個具有外部連接的符號並期待連接器能夠將符號的地址決議出來。然而當實現該模板的.cpp文件中沒有用到模板的具現體時，編譯器懶得去具現，所以，整個工程的.obj中就找不到一行模板具現體的二進制代碼，於是連接器也黔
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http://dev.csdn.net/develop/article/19/19587.shtm
C++模板代碼的組織方式 ——包含模式（Inclusion Model） 選擇自 sam1111 的 Blog
關鍵字 Template Inclusion Model
出處 C++ Template: The Complete Guide
說明：本文譯自《C++ Template: The Complete Guide》一書的第6章中的部分內容。最近看到C++論壇上常有關於模板的包含模式的帖子，聯想到自己初學模板時，也爲類似的問題困惑過，因此翻譯此文，希望對初學者有所幫助。
模板代碼有幾種不同的組織方式，本文介紹其中最流行的一種方式：包含模式。
鏈接錯誤
大多數C/C++程序員向下面這樣組織他們的非模板代碼：
·類和其他類型全部放在頭文件中，這些頭文件具有.hpp（或者.H, .h, .hh, .hxx）擴展名。
·對於全局變量和（非內聯）函數，只有聲明放在頭文件中，而定義放在點C文件中，這些文件具有.cpp（或者.C, .c, .cc, .cxx）擴展名。
這種組織方式工作的很好：它使得在編程時可以方便地訪問所需的類型定義，並且避免了來自鏈接器的“變量或函數重複定義”的錯誤。
由於以上組織方式約定的影響，模板編程新手往往會犯一個同樣的錯誤。下面這一小段程序反映了這種錯誤。就像對待“普通代碼”那樣，我們在頭文件中定義模板：
// basics/myfirst.hpp
#ifndef MYFIRST_HPP
#define MYFIRST_HPP
// declaration of template
template <typename T>
void print_typeof (T const&);
#endif // MYFIRST_HPP
print_typeof()聲明瞭一個簡單的輔助函數用來打印一些類型信息。函數的定義放在點C文件中：
// basics/myfirst.cpp
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include "myfirst.hpp"
// implementation/definition of template
template <typename T>
void print_typeof (T const& x)
{
std::cout << typeid(x).name() << std::endl;
}
這個例子使用typeid操作符來打印一個字符串，這個字符串描述了傳入的參數的類型信息。
最後，我們在另外一個點C文件中使用我們的模板，在這個文件中模板聲明被#include：
// basics/myfirstmain.cpp
#include "myfirst.hpp"
// use of the template
int main()
{
double ice = 3.0;
print_typeof(ice); // call function template for type double
}
大部分C++編譯器（Compiler）很可能會接受這個程序，沒有任何問題，但是鏈接器（Linker）大概會報告一個錯誤，指出缺少函數print_typeof()的定義。
這個錯誤的原因在於，模板函數print_typeof()的定義還沒有被具現化（instantiate）。爲了具現化一個模板，編譯器必須知道哪一個定義應該被具現化，以及使用什麼樣的模板參數來具現化。不幸的是，在前面的例子中，這兩組信息存在於分開編譯的不同文件中。因此，當我們的編譯器看到對print_typeof()的調用，但是沒有看到此函數爲double類型具現化的定義時，它只是假設這樣的定義在別處提供，並且創建一個那個定義的引用（鏈接器使用此引用解析）。另一方面，當編譯器處理myfirst.cpp時，該文件並沒有任何指示表明它必須爲它所包含的特殊參數具現化模板定義。
頭文件中的模板
解決上面這個問題的通用解法是，採用與我們使用宏或者內聯函數相同的方法：我們將模板的定義包含進聲明模板的頭文件中。對於我們的例子，我們可以通過將#include "myfirst.cpp"添加到myfirst.hpp文件尾部，或者在每一個使用我們的模板的點C文件中包含myfirst.cpp文件，來達到目的。當然，還有第三種方法，就是刪掉myfirst.cpp文件，並重寫myfirst.hpp文件，使它包含所有的模板聲明與定義：
// basics/myfirst2.hpp
#ifndef MYFIRST_HPP
#define MYFIRST_HPP
#include <iostream>
#include <typeinfo>
// declaration of template
template <typename T>
void print_typeof (T const&);
// implementation/definition of template
template <typename T>
void print_typeof (T const& x)
{
std::cout << typeid(x).name() << std::endl;
}
#endif // MYFIRST_HPP
這種組織模板代碼的方式就稱作包含模式。經過這樣的調整，你會發現我們的程序已經能夠正確編譯、鏈接、執行了。
從這個方法中我們可以得到一些觀察結果。最值得注意的一點是，這個方法在相當程度上增加了包含myfirst.hpp的開銷。在這個例子中，這種開銷並不是由模板定義自身的尺寸引起的，而是由這樣一個事實引起的，即我們必須包含我們的模板用到的頭文件，在這個例子中是<iostream>和<typeinfo>。你會發現這最終導致了成千上萬行的代碼，因爲諸如<iostream>這樣的頭文件也包含了和我們類似的模板定義。
這在實踐中確實是一個問題，因爲它增加了編譯器在編譯一個實際程序時所需的時間。我們因此會在以後的章節中驗證其他一些可能的方法來解決這個問題。但無論如何，現實世界中的程序花一小時來編譯鏈接已經是快的了（我們曾經遇到過花費數天時間來從源碼編譯的程序）。
拋開編譯時間不談，我們強烈建議如果可能儘量按照包含模式組織模板代碼。
另一個觀察結果是，非內聯模板函數與內聯函數和宏的最重要的不同在於：它並不會在調用端展開。相反，當模板函數被具現化時，會產生此函數的一個新的拷貝。由於這是一個自動的過程，編譯器也許會在不同的文件中產生兩個相同的拷貝，從而引起鏈接器報告一個錯誤。理論上，我們並不關心這一點：這是編譯器設計者應當關心的事情。實際上，大多數時候一切都運轉正常，我們根本就不用處理這種狀況。然而，對於那些需要創建自己的庫的大型項目，這個問題偶爾會顯現出來。
最後，需要指出的是，在我們的例子中，應用於普通模板函數的方法同樣適用於模板類的成員函數和靜態數據成員，以及模板成員函數。