原理：C++为什么一般把模板实现放入头文件

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写在前面
本文通过实例分析与讲解，解释了为什么C++一般将模板实现放在头文件中。这主要与C/C++的编译机制以及C++模板的实现原理相关，详情见正文。同时，本文给出了不将模板实现放在头文件中的解决方案。

正文
例子
现有如下3个文件：
[mw_shl_code=applescript,true]1 // add.h
2 template <typename T>
3 T Add(const T &a, const T &b);
4
5 // add.cpp
6 #include "add.h"
7
8 template <typename T>
9 T Add(const T &a, const T &b)
10 {
11     return a + b;
12 }
13
14 // main.cpp
15 #include "add.h"
16 #include <iostream>
17
18 int main()
19 {
20     int res = Add<int>(1, 2);
21     std::cout << res << "\n";
22     return 0;
23 }
示例代码[/mw_shl_code]
现象

使用 g++ -c add.cpp 编译生成 add.o ，使用 g++ -c main.cpp 编译生成 main.o ，这两步都没有问题。

使用 g++ -o main.exe main.o add.o 生成 main.exe 时，报错 undefined reference to 'int Add(int const&, int const&)' 。

当然，直接 g++ add.cpp main.cpp -o main.exe 肯定也会报错，这里把编译和链接分开是为了更好地展示与分析问题。​

原因
出现上述问题的原因是：

（1）C/C++源文件是按编译单元（translation unit）分开、独立编译的。所谓translation unit，其实就是输入给编译器的source code，只不过该source code是经过预处理（pre-processed​，包括去掉注释、宏替换、头文件展开）的。在本例中，即便你使用 g++ add.cpp main.cpp -o main.exe ，编译器也是分别编译 add.cpp 和 main.cpp （注意是预处理后的）的。在编译 add.cpp 时，编译器根本感知不到 main.cpp 的存在，反之同理。

（2） C++模板是通过实例化(instantiation)来实现多态(polymorphism)的。以函数模板为例，首先需要区分“函数模板”和“模板函数”。本例中，上面代码的第8~12行是函数模板，顾名思义，它就是一个模子，不是具体的函数，是不能运行的；当用具体的类型，如 int ，实例化模板参数 T 后，会生成函数模板的一个具体实例，称为模板函数，这是真正可以运行的函数。“函数模板”和“模板函数”的关系，可以类比“类”和“对象”的关系。以 int 为例，生成的实例/模板函数大概长这样（细节上肯定和编译器的实际实现有出入，但核心意思不会变）。
1 int Add_int_int(const int &a, const int &b)
2 {
3     return a + b;
4 }

对于每一个用到的具体类型，编译器都会生成对应版本的实例，当函数调用时，会调用到该实例。如用到了 Add<int> ，就会生成 Add_int_int ，用到了 Add<double> ，就会生成 Add_double_double ，等等。本例中，当编译器编译到第20行，即 int res = Add<int>(1, 2); 一句时，编译器就会试图生成 int 版本的模板实例（即模板函数）。

（3）编译器为模板生成实例的必要条件是：1. 知道模板的具体定义/实现；2. 知道模板参数对应的实际类型。

分析
下面把上面两节内容结合起来分析。

（1）当编译 add.cpp 时，相当于编译
1 template <typename T>
2 T Add(const T &a, const T &b);
3
4 template <typename T>
5 T Add(const T &a, const T &b)
6 {
7     return a + b;
8 }

预处理后的add.cpp

此时编译器虽然知道模板的具体定义，却不知道模板参数 T 的具体类型，因此不会生成任何的实例化代码。

（2）当编译 main.cpp 时，相当于编译
1 #include <iostream>
2
3 template <typename T>
4 T Add(const T &a, const T &b);
5
6 int main()
7 {
8     int res = Add<int>(1, 2);
9     std::cout << res << "\n";
10     return 0;
11 }

预处理后的main.cpp
当编译到 int res = Add<int>(1, 2); 时，编译器想要生成 int 版本的函数实例，但它找不到函数模板的具体定义（即 Add 的“函数体”），只好作罢。好在编译器看到了函数模板的声明，于是通过了编译，将寻找 int 版本函数实例的任务留给了链接器。​

至此，编译 add.cpp 时，只知模板定义，不知模板类型参数，无法生成具体的函数定义；编译 main.cpp 时，只知模板类型参数，不知模板定义，同样无法生成具体的函数定义。​

（3）没什么好说的，链接器在 add.o 和 main.o 中都没找到 int 版本的 Add 定义，直接报错。​

解决方案
方案一
传统方法：把模板实现也放在头文件中。
1 // add.h
2 template <typename T>
3 T Add(const T &a, const T &b)
4 {
5     return a + b;
6 }
7
8 // main.cpp
9 #include "add.h"
10 #include <iostream>
11
12 int main()
13 {
14     int res = Add<int>(1, 2);
15     std::cout << res << "\n";
16     return 0;
17 }

解决方案一
当编译 main.cpp 时，相当于编译​
1 #include <iostream>
2
3 template <typename T>
4 T Add(const T &a, const T &b)
5 {
6     return a + b;
7 }
8
9 int main()
10 {
11     int res = Add<int>(1, 2);
12     std::cout << res << "\n";
13     return 0;
14 }

预处理后的main.cpp
此时编译器既知道函数模板的定义，又知道具体的模板类型参数 int ，因此可以生成 int 版本的函数实例，不会出错。​

这种方式的优缺点如下：

优点：可以按需生成。假如我们在 main.cpp 中调用了 Add<double>(1.0, 2.0); ，编译器就会为我们生成 double 版本的函数实例。
缺点：不得不把实现细节暴露给用户。
方案二
模板声明和定义分离的方案。​
1 // add.h
2 template <typename T>
3 T Add(const T &a, const T &b);
4
5 // add.cpp
6 #include "add.h"
7
8 template <typename T>
9 T Add(const T &a, const T &b)
10 {
11     return a + b;
12 }
13
14 template int Add(const int &a, const int &b);
15
16 // main.cpp
17 #include "add.h"
18 #include <iostream>
19
20 int main()
21 {
22     int res = Add<int>(1, 2);
23     std::cout << res << "\n";
24     return 0;
25 }

解决方案二
注意， template int Add(const int &a, const int &b); 是函数模板实例化（function template instantiation）[1]， template 关键字不能省略，否则， int Add(const int &a, const int &b); 会被编译器当做普通函数的声明，从而在链接时又会报 undefined reference to 'int Add(int const&, int const&)' 错误。​

对于这种写法，编译器在编译 add.cpp 时，既能看到函数模板的定义，又能看到具体的模板类型参数 int ,于是生成了 int 版本的函数实例，整个程序可以正常编译运行。​

很显然，这种情况下编译器只生成了 int 版本的函数实例，所以，在 main.cpp 中使用 Add<double>(1.0, 2.0); 这样的代码肯定是不可以的。这种情况的优缺点可以辩证看待：​

优点：1. 可以隐藏实现细节（我们可以把 add.cpp 做成.lib或.dll）；2. 也可以限制只实例化特定的版本。​
缺点：就是只能使用特定的几个版本，不能像方案一那样在编译 main.cpp 时根据具体的调用情况按需生成。​
从这里也可以看出，模板实现不一定非得放在头文件中。

参考
[1] Function template - cppreference.com
[2] c++ - Why can templates only be implemented in the header file? - Stack Overflow

写在后面
本文从C/C++编译机制以及C++模板实现原理的角度，结合具体实例，讲解了为什么一般将模板实现放在头文件中。由于在下才疏学浅，能力有限，错误疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正，您的批评是在下前进的不竭动力。