问为什么模板只能在头文件中实现？

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注意:没有必要将实现放在头文件中，请参阅此答案末尾的替代解决方案。

无论如何，代码失败的原因是，在实例化模板时，编译器使用给定的模板参数创建一个新类。例如：

template<typename T>
struct Foo
{
    T bar;
    void doSomething(T param) {/* do stuff using T */}
};

// somewhere in a .cpp
Foo<int> f; 

当读取这一行时，编译器将创建一个新类(让我们称之为FooInt)，它相当于以下内容：

struct FooInt
{
    int bar;
    void doSomething(int param) {/* do stuff using int */}
}

因此，编译器需要访问这些方法的实现，并使用模板参数(在本例中为int)实例化它们。如果这些实现不在标头中，它们将无法访问，因此编译器将无法实例化模板。

一个常见的解决方案是在头文件中写入模板声明，然后在实现文件(例如.tpp)中实现类，并在头的末尾包含这个实现文件。

Foo.h

template <typename T>
struct Foo
{
    void doSomething(T param);
};

#include "Foo.tpp"

Foo.tpp

template <typename T>
void Foo<T>::doSomething(T param)
{
    //implementation
}

这样，实现仍然与声明分离，但编译器可以访问。

替代解

另一种解决方案是将实现分开，并显式实例化所需的所有模板实例：

Foo.h

// no implementation
template <typename T> struct Foo { ... };

Foo.cpp

// implementation of Foo's methods

// explicit instantiations
template class Foo<int>;
template class Foo<float>;
// You will only be able to use Foo with int or float

如果我的解释不够清楚，你可以看看C++超级常见问题解答。

这是因为需要单独编译，而且模板是实例化风格的多态。

让我们离混凝土近一点来解释一下。假设我有以下文件：

• foo.h
  • 声明class MyClass<T>的接口

​

• foo.cpp
  • 定义class MyClass<T>的实现

​

• bar.cpp
  • 使用MyClass<int>

​

单独编译意味着我应该能够独立地编译foo.cpp，而不是bar.cpp。编译器完全独立地在每个编译单元上完成分析、优化和代码生成的所有艰苦工作；我们不需要进行完整的程序分析。只有链接器需要立即处理整个程序，并且链接器的工作要简单得多。

bar.cpp在编译foo.cpp时甚至不需要存在，但是我仍然可以将foo.o与刚刚生成的bar.o链接起来，而不需要重新编译foo.cppE 240。foo.cpp甚至可以编译成一个动态库，分发到没有foo.cpp的其他地方，并与他们在我编写foo.cpp多年后编写的代码链接起来。

“实例化样式多态”意味着模板MyClass<T>实际上不是一个泛型类，可以编译成可用于任何T值的代码。这将增加一些开销，例如装箱、需要将函数指针传递给分配程序和构造函数等。C++模板的目的是避免编写几乎相同的class MyClass_int、class MyClass_float等，但仍然能够以编译后的代码结束，而这些代码基本上就好像我们已经分别编写了每个版本一样。因此，模板实际上是一个模板；类模板不是一个类，它是为我们遇到的每个T创建一个新类的方法。模板不能编译成代码，只能编译模板的实例化结果。

因此，当编译foo.cpp时，编译器无法看到bar.cpp来知道MyClass<int>是必需的。它可以看到模板MyClass<T>，但是它不能为此发出代码(它是一个模板，而不是一个类)。当编译bar.cpp时，编译器可以看到它需要创建一个MyClass<int>，但是它不能看到模板MyClass<T> (只有它在foo.h中的接口)，所以它不能创建它。

如果foo.cpp本身使用MyClass<int>，那么在编译foo.cpp时就会生成相应的代码，所以当bar.o链接到foo.o时，它们就可以连接起来并工作。我们可以使用这个事实，通过编写单个模板，允许在.cpp文件中实现有限的模板实例化。但是bar.cpp无法使用模板作为模板，并在它喜欢的任何类型上实例化它；它只能使用foo.cpp的作者认为可以提供的模板类的预先存在的版本。

您可能会认为，在编译模板时，编译器应该“生成所有版本”，其中从未使用的版本在链接期间被过滤掉。除了巨大的开销和极端的困难之外，这种方法还会面临巨大的困难，因为指针和数组等“类型修饰符”特性允许甚至只是内置类型产生无限数量的类型，当我现在通过添加以下内容扩展我的程序时会发生什么情况：

• baz.cpp
  • 声明和实现class BazPrivate，并使用MyClass<BazPrivate>

​

这是不可能的，除非我们

1. 每次我们更改程序中的任何其他文件时，都必须重新编译foo.cpp，以防它添加了新的MyClass<T>实例化。
2. 要求baz.cpp包含(可能通过报头包含) MyClass<T>的完整模板，以便编译器可以在编译baz.cpp期间生成MyClass<BazPrivate>。

没有人喜欢(1)，因为完整的程序分析编译系统需要很长时间才能编译，而且因为没有源代码就不可能分发编译好的库。所以我们用(2)代替。

这里有很多正确的答案，但我想补充一下(为了完整起见)：

如果您在实现cpp文件的底部对模板将要使用的所有类型执行显式实例化，则链接器将能够像往常一样找到它们。

编辑:添加显式模板实例化的示例。在定义了模板之后使用，并且定义了所有成员函数。

template class vector<int>;

这将实例化(从而使链接器可用)类及其所有成员函数(仅限于)。类似的语法适用于函数模板，因此如果您有非成员运算符重载，则可能需要对这些模板执行相同的操作。

上面的例子是相当无用的，因为向量是在头文件中完全定义的，除非一个普通的包含文件(预编译的头？)使用extern template class vector<int>，以防止它在所有其他(1000?)中实例化使用向量的文件。