C++11 extern template

作者：SkyFire

2021 年 12 月 29 日
本文字数：2973 字
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C++11 extern template

PS:不知道对应的中文术语叫啥（模板声明？）

模板是泛型编程的基础，泛型编程即以一种独立于任何特定类型的方式编写代码。

模板是创建泛型类或函数的蓝图或公式。库容器，比如迭代器和算法，都是泛型编程的例子，它们都使用了模板的概念。

使用模板可以少写很多冗余代码，但是同样会带来一些开销：

中间代码体积变大
编译时间增长

我们来看一个例子（这个例子涉及到 5 个文件，可能会比较繁琐）

h.h

template <typename T>void my_swap(T &a, T &b){    if (a == b)    {        return;    }    auto t = a;    a = b;    b = t;}

复制代码

h.h 中定义了一个模板函数my_swap用于交换两个值。

a.cpp

#include "h.h"
void swap_one(int &a, int &b){    my_swap(a, b);}

复制代码

b.cpp

#include "h.h"
void swap_two(int &a, int &b){    my_swap(a, b);}

复制代码

a.cpp 和 b.cpp 中分别有两个函数 swap_one 和 swap_two,作用是一致的，都是交换两个整数，并且在内部都调用了my_swap模板函数。

main.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
void swap_one(int &, int &);void swap_two(int &, int &);
int main(){    int a = 5, b = 10;    swap_one(a, b);    swap_two(a, b);}

复制代码

main.cpp 对 a.cpp 和 b.cpp 的两个函数进行调用。

对于这样一个工程，使用g 去编译生成汇编代码，看看发生了什么：

g++ a.cpp -o a.asm -O0 -S -cg++ b.cpp -o b.asm -O0 -S -c

复制代码

生成的 a.asm 和 b.asm 如下：

a.asm

  .file  "a.cpp"  .text  .globl  _Z8swap_oneRiS_  .type   _Z8swap_oneRiS_, @function_Z8swap_oneRiS_:.LFB1:  .cfi_startproc  pushq  %rbp  .cfi_def_cfa_offset 16  .cfi_offset 6, -16  movq  %rsp, %rbp  .cfi_def_cfa_register 6  subq  $16, %rsp  movq  %rdi, -8(%rbp)  movq  %rsi, -16(%rbp)  movq  -16(%rbp), %rdx  movq  -8(%rbp), %rax  movq  %rdx, %rsi  movq  %rax, %rdi  call  _Z7my_swapIiEvRT_S1_  nop  leave  .cfi_def_cfa 7, 8  ret  .cfi_endproc.LFE1:  .size     _Z8swap_oneRiS_, .-_Z8swap_oneRiS_  .section  .text._Z7my_swapIiEvRT_S1_,"axG",@progbits,_Z7my_swapIiEvRT_S1_,comdat  .weak     _Z7my_swapIiEvRT_S1_  .type     _Z7my_swapIiEvRT_S1_, @function_Z7my_swapIiEvRT_S1_:.LFB2:  .cfi_startproc  pushq  %rbp  .cfi_def_cfa_offset 16  .cfi_offset 6, -16  movq  %rsp, %rbp  .cfi_def_cfa_register 6  movq  %rdi, -24(%rbp)  movq  %rsi, -32(%rbp)  movq  -24(%rbp), %rax  movl  (%rax), %edx  movq  -32(%rbp), %rax  movl  (%rax), %eax  cmpl  %eax, %edx  je    .L5  movq  -24(%rbp), %rax  movl  (%rax), %eax  movl  %eax, -4(%rbp)  movq  -32(%rbp), %rax  movl  (%rax), %edx  movq  -24(%rbp), %rax  movl  %edx, (%rax)  movq  -32(%rbp), %rax  movl  -4(%rbp), %edx  movl  %edx, (%rax)  jmp   .L2.L5:  nop.L2:  popq  %rbp  .cfi_def_cfa 7, 8  ret  .cfi_endproc.LFE2:  .size     _Z7my_swapIiEvRT_S1_, .-_Z7my_swapIiEvRT_S1_  .ident    "GCC: (Debian 8.3.0-19) 8.3.0"  .section  .note.GNU-stack,"",@progbits

复制代码

b.asm 如下

  .file  "b.cpp"  .text  .globl  _Z8swap_twoRiS_  .type   _Z8swap_twoRiS_, @function_Z8swap_twoRiS_:.LFB1:  .cfi_startproc  pushq  %rbp  .cfi_def_cfa_offset 16  .cfi_offset 6, -16  movq  %rsp, %rbp  .cfi_def_cfa_register 6  subq  $16, %rsp  movq  %rdi, -8(%rbp)  movq  %rsi, -16(%rbp)  movq  -16(%rbp), %rdx  movq  -8(%rbp), %rax  movq  %rdx, %rsi  movq  %rax, %rdi  call  _Z7my_swapIiEvRT_S1_  nop  leave  .cfi_def_cfa 7, 8  ret  .cfi_endproc.LFE1:  .size     _Z8swap_twoRiS_, .-_Z8swap_twoRiS_  .section  .text._Z7my_swapIiEvRT_S1_,"axG",@progbits,_Z7my_swapIiEvRT_S1_,comdat  .weak     _Z7my_swapIiEvRT_S1_  .type     _Z7my_swapIiEvRT_S1_, @function_Z7my_swapIiEvRT_S1_:.LFB2:  .cfi_startproc  pushq  %rbp  .cfi_def_cfa_offset 16  .cfi_offset 6, -16  movq  %rsp, %rbp  .cfi_def_cfa_register 6  movq  %rdi, -24(%rbp)  movq  %rsi, -32(%rbp)  movq  -24(%rbp), %rax  movl  (%rax), %edx  movq  -32(%rbp), %rax  movl  (%rax), %eax  cmpl  %eax, %edx  je    .L5  movq  -24(%rbp), %rax  movl  (%rax), %eax  movl  %eax, -4(%rbp)  movq  -32(%rbp), %rax  movl  (%rax), %edx  movq  -24(%rbp), %rax  movl  %edx, (%rax)  movq  -32(%rbp), %rax  movl  -4(%rbp), %edx  movl  %edx, (%rax)  jmp   .L2.L5:  nop.L2:  popq  %rbp  .cfi_def_cfa 7, 8  ret  .cfi_endproc.LFE2:  .size     _Z7my_swapIiEvRT_S1_, .-_Z7my_swapIiEvRT_S1_  .ident    "GCC: (Debian 8.3.0-19) 8.3.0"  .section  .note.GNU-stack,"",@progbits

复制代码

从汇编代码中，可以看出，在 a.cpp 和 b.cpp 中，都有_Z7my_swapIiEvRT_S1_这个符号，这个符号其实就是my_swap 被实例化后的符号，也就是说，两个编译单元中都对my_swap函数进行了实例化，这不仅增加了中间目标文件的体积，更增加了编译时间。

而每个编译单元对相同模板函数的相同类型实例化，而实例化后的符号为弱符号（不清楚弱符号的童鞋自行百度），最后链接也只会留下一份。所以实际上只需要做一遍实例化就可以了。所以C++11增加了extern template，带有extern template声明的模块在编译的时候回跳过指定模板的实例化，链接时会去其他模块寻找相关的实例化代码。

将 a.cpp 修改为以下代码：

#include "h.h"
extern template void my_swap<int>(int &, int &);
void swap_one(int &a, int &b){    my_swap(a, b);}

复制代码

重新编译 a.cpp 为汇编代码 a.asm：

  .file  "a.cpp"  .text  .globl  _Z7funcIntv  .type   _Z7funcIntv, @function_Z7funcIntv:.LFB1:  .cfi_startproc  pushq  %rbp  .cfi_def_cfa_offset 16  .cfi_offset 6, -16  movq  %rsp, %rbp  .cfi_def_cfa_register 6  call  _Z4funcIiEPvv@PLT  popq  %rbp  .cfi_def_cfa 7, 8  ret  .cfi_endproc.LFE1:  .size     _Z7funcIntv, .-_Z7funcIntv  .ident    "GCC: (Debian 8.3.0-19) 8.3.0"  .section  .note.GNU-stack,"",@progbits

复制代码

可以看到 a.asm 中不再有 my_swap 的实例化代码。链接的时候会去其他模块寻找相应实现。

测试一下编译：

g++ a.cpp -cg++ b.cpp -cg++ main.cpp -cg++ main.o a.o b.o -o main

复制代码

编译顺利通过。

从上面可以看出，extern template减少了模板类型的实例化代码编译次数，也就意味着节省了时间与空间，鱼与熊掌兼得。

使用extern template需要注意的地方：

必需确保extern的模板在其他编译单元中有实例化。例如，不能同时在 a.cpp 和 b.cpp 同时使用extern template，否则会导致模板从未被实例化，会引起undefined reference的问题。
必需确保extern的类型与外部的类型一致，否则不起效果。比如 a.cpp 中的extern template修改为：

extern template void my_swap<double>(double &, double &);

复制代码

这样在编译到my_swap(a,b)的时候，同样会再实例化my_swap<int>的版本。

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