Представьте библиотечный шаблон, определённый в заголовочном файле: какой механизм позволяет вынести его инстанцирование в один исходный файл, сохранив обычные вызовы шаблона?
Для этого используют явное инстанцирование вместе с объявлением extern template. В заголовке extern template запрещает неявное инстанцирование выбранной специализации в каждом подключившем её модуле, а в одном исходном файле размещают явное инстанцирование, создающее нужное определение.
Так уменьшаются время компиляции и дублирование сгенерированного кода. Механизм применяется только к заранее известным специализациям и не заменяет обычное определение шаблона в заголовке.
Шаблоны обычно определяют в заголовочных файлах, потому что компилятору нужны полное определение шаблона и конкретные аргументы типов в месте использования. При большом числе исходных файлов одна и та же специализация может многократно инстанцироваться или проверяться, даже если компоновщик затем устранит дубликаты.
Явное инстанцирование решает задачу централизованной генерации выбранных специализаций. Extern template дополняет этот механизм: он сообщает компилятору, что генерация специализации будет выполнена в другом месте.
Пусть библиотека предоставляет шаблонную функцию или класс в заголовочном файле, а библиотека заранее поддерживает только несколько типов. Без дополнительных указаний каждый пользовательский исходный файл может инициировать собственное неявное инстанцирование этих типов.
Это приводит к увеличению времени компиляции, размера объектных файлов и объёма работы компоновщика. Ошибочное применение механизма создаёт другие риски: отсутствующее явное определение приводит к ошибке линковки, а попытка скрыть определение шаблона в исходном файле не позволяет клиентскому коду инстанцировать новые типы.
В заголовке оставляют определение шаблона и добавляют объявление extern template для конкретной специализации. Оно не создаёт код и подавляет неявное инстанцирование этой специализации в текущей единице трансляции.
В одном исходном файле библиотеки размещают явное определение инстанцирования. Оно принудительно создаёт код для указанной специализации, который затем используется клиентскими модулями через обычный вызов.
В client.cpp тип int выводится обычным образом, но из-за extern template компилятор не генерирует специализацию там. Определение из library.cpp должно попасть в библиотеку и быть доступным компоновщику.
Важно различать три сущности. Определение шаблона описывает общий алгоритм; extern template является явным объявлением, запрещающим неявное создание конкретной специализации; template int twice<int>(int); является явным определением инстанцирования.
Механизм не влияет на все возможные типы автоматически. Если клиент вызовет twice для double, а для него нет подходящего определения в библиотеке и шаблон доступен, компилятор обычно сможет неявно инстанцировать double. Если определение скрыто, такой вызов завершится ошибкой компиляции.
Явное инстанцирование не является специализацией. Оно создаёт обычную специализацию из общего шаблона, тогда как явная или частичная специализация задаёт отличающуюся реализацию или набор правил выбора. Специализация должна быть объявлена до точки явного инстанцирования; порядок объявлений и согласованность заголовка с исходным файлом важны для корректности программы.
Подход также не отменяет правила ODR и требований к линковке. Для каждого вынесенного типа нужна ровно одна подходящая генерация, а сборочная система должна действительно включить объектный файл с явным инстанцированием. Доступность символа может дополнительно зависеть от настроек видимости при создании динамической библиотеки.
Команда разрабатывает библиотеку матричных операций. Шаблон умножения определён в заголовке, а публично поддерживаются float и double. После добавления десятков исходных файлов время полной сборки заметно увеличилось: одни и те же крупные специализации повторно обрабатываются в разных единицах трансляции.
Рассматривались следующие варианты:
extern template для float и double, а явное инстанцирование разместить в одном исходном файле. Это требует поддерживать список ABI-поддерживаемых типов, зато централизует генерацию.Выбран третий вариант, потому что набор поддерживаемых типов заранее известен. В результате клиенты получают обычные вызовы, а сборка не генерирует крупные специализации повторно. Для типов, которые библиотека не обязуется поставлять, команда сохранила отдельный обобщённый путь с доступным определением шаблона.
Вопрос: гарантирует ли extern template, что специализация вообще существует в программе?
Нет. Он только подавляет неявное инстанцирование в текущей единице трансляции и предполагает, что определение будет предоставлено в другом месте. Если явного инстанцирования нигде нет, компиляция клиентского файла может пройти, но на этапе линковки возникнет ошибка отсутствующего символа.
Вопрос: чем явное инстанцирование отличается от явной специализации?
При явном инстанцировании используется реализация основного шаблона для конкретных аргументов. При явной специализации программист предоставляет отдельную реализацию, которая может полностью отличаться от общей. Поэтому явное инстанцирование решает задачу размещения генерации, а специализация — задачу изменения поведения для выбранных типов.
Вопрос: можно ли с помощью extern template запретить клиенту использовать шаблон с любым новым типом?
Нет. Директива действует только на явно указанную специализацию, например на специализацию для int. Для другого типа клиент всё ещё может неявно инстанцировать шаблон, если его определение доступно и корректно для этого типа. Чтобы ограничить набор поддерживаемых типов, нужны отдельные средства интерфейса: ограничения шаблона, недоступное определение или иной дизайн библиотеки.