2.12　外部模板

类别：部分人

2.12.1　为什么需要外部模板

“外部模板”是C++11中一个关于模板性能上的改进。实际上，“外部”（extern）这个概念早在C的时候已经就有了。通常情况下，我们在一个文件中a.c中定义了一个变量int i，而在另外一个文件b.c中想使用它，这个时候我们就会在没有定义变量i的b.c文件中做一个外部变量的声明。比如：

extern int i;

这样做的好处是，在分别编译了a.c和b.c之后，其生成的目标文件a.o和b.o中只有i这个符号^[1]的一份定义。具体地，a.o中的i是实在存在于a.o目标文件的数据区中的数据，而在b.o中，只是记录了i符号会引用其他目标文件中数据区中的名为i的数据。这样一来，在链接器（通常由编译器代为调用）将a.o和b.o链接成单个可执行文件（或者库文件）c的时候，c文件的数据区也只会有一个i的数据（供a.c和b.c的代码共享）。

而如果b.c中我们声明int i的时候不加上extern的话，那么i就会实实在在地既存在于a.o的数据区中，也存在于b.o的数据区中。那么链接器在链接a.o和b.o的时候，就会报告错误，因为无法决定相同的符号是否需要合并。

而对于函数模板来说，现在我们遇到的几乎是一模一样的问题。不同的是，发生问题的不是变量（数据），而是函数（代码）。这样的困境是由于模板的实例化带来的。

注意　这里我们以函数模板为例，因为其只涉及代码，讲解起来比较直观。如果是类模板，则有可能涉及数据，不过其原理都是类似的。

比如，我们在一个test.h的文件中声明了如下一个模板函数：

template＜typename T＞void fun(T){}

在第一个test1.cpp文件中，我们定义了以下代码：

include "test.h"

void test1(){fun(3);}

而在另一个test2.cpp文件中，我们定义了以下代码：

include "test.h"

void test2(){fun(4);}

由于两个源代码使用的模板函数的参数类型一致，所以在编译test1.cpp的时候，编译器实例化出了函数fun＜int＞(int)，而当编译test2.cpp的时候，编译器又再一次实例化出了函数fun＜int＞(int)。那么可以想象，在test1.o目标文件和test2.o目标文件中，会有两份一模一样的函数fun＜int＞(int)代码。

代码重复和数据重复不同。数据重复，编译器往往无法分辨是否是要共享的数据；而代码重复，为了节省空间，保留其中之一就可以了（只要代码完全相同）。事实上，大部分链接器也是这样做的。在链接的时候，链接器通过一些编译器辅助的手段将重复的模板函数代码fun＜int＞(int)删除掉，只保留了单个副本。这样一来，就解决了模板实例化时产生的代码冗余问题。我们可以看看图2-1中的模板函数的编译与链接的过程示意。

图　2-1　模板函数的编译与链接

不过读者也注意到了，对于源代码中出现的每一处模板实例化，编译器都需要去做实例化的工作；而在链接时，链接器还需要移除重复的实例化代码。很明显，这样的工作太过冗余，而在广泛使用模板的项目中，由于编译器会产生大量冗余代码，会极大地增加编译器的编译时间和链接时间。解决这个问题的方法基本跟变量共享的思路是一样的，就是使用“外部的”模板。

[1]符号（symbol）是编译器/链接器的术语，读者可以简单地将它想象为一个变量名字。