为什么模板只能在头文件中实现？

技术背景

在C++中，模板是实现泛型编程的重要工具，它允许编写与类型无关的代码。然而，模板的实现通常要求放在头文件中，这与普通类和函数的实现方式不同。普通类和函数可以将声明放在头文件（.h）中，实现放在源文件（.cpp）中，利用C++的分离编译机制独立编译每个源文件，最后通过链接器将它们组合在一起。但模板的特性使得这种分离编译方式变得复杂。

实现步骤

模板在头文件中实现的基本方式

通常，模板类或函数的声明和实现都放在头文件里。以下是一个简单模板类的示例：

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

在其他源文件中使用这个模板类时，只需包含该头文件：

// main.cpp
#include "Foo.h"

int main() {
    Foo<int> f;
    f.doSomething(10);
    return 0;
}

分离声明和实现的方法

虽然不推荐，但也有办法在一定程度上分离模板的声明和实现。可以将模板声明放在头文件，实现放在一个扩展名为.tpp的文件中，然后在头文件末尾包含这个.tpp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
}

显式实例化模板

还可以将实现分离，并显式实例化所有需要的模板实例。

Foo.h

// no implementation
template <typename T> struct Foo {
    void doSomething(T param);
};

Foo.cpp

#include "Foo.h"

// implementation of Foo's methods
template <typename T>
void Foo<T>::doSomething(T param)
{
    //implementation
}

// explicit instantiations
template class Foo<int>;
template class Foo<float>;
// 只能使用 Foo 与 int 或 float 类型

核心代码

简单模板类示例

// 模板类声明和实现都在头文件
template <typename T>
class MyTemplate {
public:
    MyTemplate(const T& rt);
    void dump();
    T t;
};

template <typename T>
MyTemplate<T>::MyTemplate(const T& rt) : t(rt) {}

template <typename T>
void MyTemplate<T>::dump() {
    std::cerr << t << std::endl;
}

使用显式实例化

// 头文件
template <typename T>
struct Bar {
    void print(T value);
};

// 源文件
#include "Bar.h"
template <typename T>
void Bar<T>::print(T value) {
    std::cout << value << std::endl;
}

// 显式实例化
template class Bar<int>;