为什么模板只能在头文件内定义

问题

The C++ standard library: a tutorial and handbook 中有一句话，

The only portable way of using templates at the moment is to implement them in header files by using inline functions.（目前使用模板的唯一方法就是在头文件中实现为内联。）

为什么只能实现在头文件呢？

回答

首先，模板也是可以不必实现在头文件中的。

我们知道 C++ 中每一个对象所占用的空间大小，是在编译的时候就确定的，在模板类没有真正的被使用之前，编译器是无法知道，模板类中使用模板类型的对象所占用的空间的大小。只有模板被真正使用的时候，编译器才知道，模板套用的是什么类型，应该分配多少空间。这也就是模板类为什么只是称之为模板，而不是泛型的缘故。

既然是在编译的时候，根据套用不同类型来进行编译，那么，套用不同类型的模板类实际上就是两个不同的类型，也就是说，stack<int> 和 stack<char> 是两个不同的数据类型，他们共同的成员函数也不是同一个函数，只不过具有相似的功能罢了。

举个例子：

template<typename T>
struct Foo
{
    T bar;

    void doSomething(T param)
    {
        ....
    }
};

// 在另一个 .cpp 文件中定义如下变量
Foo<int> f; 

编译器需要做的就是根据这个模板创建一个新的类（姑且叫做 FooInt），其实就等价于：

struct FooInt
{
    int bar;
    void doSomething(int param)
    {
        ....
    }
}

当编译器需要找到方法实现，并用模板参数去实例化它们的时候，比如这个情况下是 int。如果实现不在头文件，那么方法就访问不到，自然而然编译器就不能实例化那个模板。

一个常用的方法是，在头文件中声明模板，在一个模板文件中实现具体的定义，然后在头文件的尾部包含具体实现的文件。例如：

// 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
}

上面的做法不够好，只是看起来是分离开了。我们可以使用下面的方法：

// Foo.h

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

// Foo.cpp

// implementation of Foo's methods

// 显示实例化，但是缺点就是，你只能使用这两个实例了，其它的都不能用
template class Foo<int>;
template class Foo<float>;

C++ Super-FAQ 也有对此说明，可以参考这里： https://isocpp.org/wiki/faq/templates#templates-defn-vs-decl

参考

• https://www.zhihu.com/question/20630104/answer/15722407