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c++ - 自动化显式模板实例化

问题描述

为了减少模板繁重的项目中的编译时间，我试图在单独的编译单元中显式实例化许多模板。因为这些模板依赖于enum class成员，所以我能够列出所有可能的实例。我希望所有其他 cpp 文件只看到声明。虽然我能够做到这一点，但我在尝试分解显式实例时遇到了问题。我将首先解释下面的 2 个工作示例，以解释我的问题到底是什么（示例 3）：

示例 1

/* test.h
   Contains the function-template-declaration, not the implementation.
*/

enum class Enum
{
    Member1,
    Member2,
    Member3
};

struct Type
{
    template <Enum Value>
    int get() const;
};

/* test.cpp
   Only the declaration is visible -> needs to link against correct instantiation.
*/

#include "test.h"

int main() {
    std::cout << Type{}.get<Enum::Member1>() << '\n';
}

/* test.tpp 
   .tpp extension indicates that it contains template implementations.
*/

#include "test.h"

template <Enum Value>
int Type::get() const
{
    return static_cast<int>(Value); // silly implementation
}

/* instantiate.cpp
   Explicitly instantiate for each of the enum members.
*/

#include "test.tpp"

template int Type::get<Enum::Member1>() const;
template int Type::get<Enum::Member2>() const;
template int Type::get<Enum::Member3>() const;

如前所述，上面的编译和链接没有问题。然而，在实际应用中，我有很多函数模板和更多枚举成员。因此，我尝试通过将成员分组到一个新类中来使我的生活更轻松，该类本身取决于模板参数并为每个枚举值显式实例化该类。

示例 2

// instantiate.cpp

#include "test.tpp"

template <Enum Value>
struct Instantiate
{
    using Function = int (Type::*)() const;
    static constexpr Function f1 = Type::get<Value>;
   
    // many more member-functions
};

template class Instantiate<Enum::Member1>;
template class Instantiate<Enum::Member2>;
template class Instantiate<Enum::Member3>;

这仍然有效（因为为了初始化指向成员的指针，必须实例化该成员），但是当枚举成员的数量很大时，它仍然会很乱。现在我终于可以解决这个问题了。我想我可以通过定义一个依赖于参数包的新类模板来进一步分解，然后它从包中的每个类型派生，如下所示：

示例 3

// instantiate.cpp

#include "test.tpp"

template <Enum Value>
struct Instantiate { /* same as before */ };

template <Enum ... Pack>
struct InstantiateAll:
    Instantiate<Pack> ...
{};

template class InstantiateAll<Enum::Member1, Enum::Member2, Enum::Member3>;

这应该有效，对吧？为了实例化，必须实例化InstantiateAll<...>每个派生类。至少，这是我的想法。以上编译但会导致链接器错误。在检查instantiate.owith的符号表后nm，可以确认根本没有实例化任何内容。为什么不？

当然，我可以通过使用示例 2 得到，但这真的让我很好奇为什么事情会这样崩溃。

（使用 GCC 10.2.0 编译）

编辑：在 Clang 8.0.1 上也会发生同样的情况（尽管我必须在分配函数指针时明确使用操作符地址Function f1 = &Type::get<Value>;：）

编辑：用户 2b-t 请通过https://www.onlinegdb.com/HyGr7w0fv_提供示例供人们试验。

标签： c++templatesmetaprogrammingtemplate-meta-programmingexplicit-instantiation

解决方案

如果编译器发现没有引用该代码，即使对于具有副作用的静态初始化，它也可以消除它，我认为您的示例就是这种情况。它可以“证明”那些类实例没有被使用，因此副作用就消失了。

对于非标准解决方案，但适用于 g++（可能是 clang，但未经测试）的解决方案是使用“used”属性标记您的静态数据成员：

template <Enum Value>
struct Instantiate
{
    using Function = int (Type::*)() const;
    static constexpr Function f1 __attribute__((used)) = &Type::get<Value>;
   
    // many more member-functions
};

更新

回顾标准，措辞似乎完全倒退了：

“如果静态存储持续时间的对象具有初始化或具有副作用的析构函数，则即使它看起来未使用也不应被消除，除非可以按照...中的规定消除类对象或其副本。”

所以几十年来我一直在想这个，现在我不确定我在想什么。:) 但它似乎相关，因为属性有帮助。但现在我必须了解发生了什么。

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