在类模板定义的头文件之外实现类模板的成员函数

模板是一个 C++ 的高级特性，它使得程序员可以编写一个类或者函数，以相同的方式处理不同类型的数据。

前段时间在网上看到，有人认为类模板的成员函数必须实现在类模板的定义当中。这与我一直以来的认知是冲突的——我认为类模板和普通的类其实没有什么差别，除了它需要做额外的实例化之外。于是，我翻看了 C++ Primer，并检索了一些资料，就有了这篇文章。

模板编译

C++ 中的模板，是一个很有意思的概念。说它有意思，是因为这个模板的概念，和现实生活中的模板非常相似。因此，实际上只需要理解了现实生活中的模板，理解 C++ 中的模板的一些特殊性就容易了。

学生在写论文的时候，经常会去网上检索「LaTeX 论文模板」。下载下来之后，论文模板实际上只有一个简单的骨架。学生们需要在这个骨架的基础上，书写、构建自己的内容，才能变成实际的论文。这个过程，我们称其为「实例化」；这是一个从一般到特殊的过程——从一个一般化的模板，填入自己的内容，变成自己的论文。

C++ 中的模板也是一样。当程序员定义了一个模板后，它只是一个骨架。而只有当编译器知道用户需要传入的模板类型参数之后，编译器才会给出一个「有血有肉」的函数（对应函数模板）或者类（对应类模板）。因此，对于模板的编译，我们需要知道：当我们使用模板时（具体来说，是实例化时），编译器才会根据模板的定义生成具体的代码。这个特性，决定了涉及到模板的错误检测时机可能与一般的代码有所差异。

类模板的特殊性

对于普通的类，当我们使用这个类时，编译器必须能够知道类的定义。但是，类中的成员函数，则不必在编译时就能被编译器读到——可以在链接的过程中，再确定具体的类成员函数。因此，一个通常的做法是：在头文件中进行类的定义和类成员函数的声明；而在源文件中实现类的成员函数。

对于类模板来说，当我们使用这个类模板时，会传入模板类型参数，而后编译器会根据类模板和传入的类型参数生成类对应的代码。因此，此时编译器必须能够知道类的定义，也必须知道类中成员函数的实现。类模板的这一特殊性，使得在处理类模板相应的实现的时候，通常会把类模板的定义和成员函数的实现都放在头文件里。

在类模板的定义之外实现成员函数

与普通的类相同，程序员既可以在类定义的内部实现成员函数，此时这些成员函数会被隐式地声明为 inline 的；程序员也可以在类定义的外部实现成员函数。不过，对于后者，会有需要注意的地方。

类模板的成员函数必然是函数模板

这是因为，类模板的成员函数和类模板共享模板参数；并且，类模板的每个实例，其成员函数都是互相独立的。因此，哪怕类模板的某个成员函数，完全不会用到模板参数，它也必须是一个函数模板，并且模板参数和类模板的参数保持一致。

在类模板实例化时，类模板的成员函数必须是可见的

这个原因，在上一节已经讲过了。

两种做法

至此，我们可以讨论一下，在类模板定义的头文件之外实现其成员函数，具体要怎么做了。一般来说，有两种做法。

在头文件末尾引入实现源文件

这样一来，成员函数的实现会被 #include 包含进头文件，实际上在编译器看来和写在头文件内没有本质的差别了。

foo.h

#ifndef FOO_
#define FOO_
template<typename T>
class Foo {
    T val;
    void doSomething(T param);
};

#include "foo.tpp"
#endif

foo.tpp

template<typename T>
void Foo<T>::doSomething(T param) {
    // do something
}

在实现时显示地实例化类模板

这种情况下，只有实例化的版本才能被使用——因为只有它们真正被编译成了类代码；其它未实例化的版本，实际是没有定义的类。

bar.h

#ifndef BAR_
#define BAR_
template<typename T>
class Bar {
    T val;
    void doSomething(T param);
};
#endif

bar.cpp

#include "bar.h"
template<typename T>
void Bar<T>::doSomething(T param) {
    // do something
}

template class Bar<int>;
template class Bar<double>;

当编译过 bar.cpp 之后，其它包含头文件 bar.h 并与其目标文件链接的源文件，就可以使用 Bar<int> 和 Bar<double> 这两个类了。而使用其它版本，则会报错。