首先乙嘀，一個編譯單元（translation unit）是指一個 .cpp 文件以及它所 #include 的所有 .h 文件摧茴，.h 文件里的代碼將會被擴(kuò)展到包含它的 .cpp 文件里，然后編譯器編譯該 .cpp 文件為一個 .obj 文件（假定我們的平臺是 win32），后者擁有 PE（Portable Executable，即 windows 可執(zhí)行文件）文件格式，并且本身包含的就已經(jīng)是二進(jìn)制碼袖肥，但是不一定能夠執(zhí)行，因為并不保證其中一定有 main 函數(shù)振劳。當(dāng)編譯器將一個工程里的所有 .cpp 文件以分離的方式編譯完畢后椎组，再由連接器（linker）進(jìn)行連接成為一個 .exe 文件。
例如：
\\ ------- in Test.h start
#ifndef TEST_H
#define TEST_H
void testOutput();
#endif // TEST_H
\\ ------- in Test.h end
\\ ------- in Test.cpp start
#include "Test.h"
#include <QDebug>
void testOutput()
{
qDebug() << "This is a test output.";
}
\\ ------- in Test.cpp end
\\ ------- in main.cpp start
#include <QCoreApplication>
#include "ZDS/Test.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
testOutput();
return a.exec();
}
\\ ------- in main.cpp end
在這個例子中历恐，Test.cpp 和main.cpp 各自被編譯成不同的 .obj 文件（假設(shè)命名為 Test.obj 和 main.obj）寸癌，在 main.cpp 中，調(diào)用了 testOutput 函數(shù)弱贼，然而當(dāng)編譯器編譯 main.cpp 時蒸苇，它所僅僅知道的只是 main.cpp 中所包含的 Test.h 文件中的一個關(guān)于 void testOutput(); 的聲明，所以吮旅，編譯器將這里的 testOutput 看作外部連接類型溪烤，即認(rèn)為它的函數(shù)實現(xiàn)代碼在另一個 .obj 文件（Test.obj）中，也就是說，main.obj 中實際沒有關(guān)于 testOutput 函數(shù)的哪怕一行二進(jìn)制代碼檬嘀，而這些代碼實際存在于 Test.cpp 所編譯成的 Test.obj 中槽驶。在 main.obj 中對 testOutput 的調(diào)用只會生成一行 call 指令，像這樣：
call testOutput // 這里假設(shè)假設(shè)叫 testOutput
在編譯時鸳兽，這個 call 指令顯然是錯誤的掂铐，因為 main.obj 中并無一行 testOutput 的實現(xiàn)代碼。那怎么辦呢贸铜？這就是連接器的任務(wù)堡纬，連接器負(fù)責(zé)在其它的 .obj 中（本例為 Test.obj）尋找 testOutput 的實現(xiàn)代碼聂受，找到以后將 call testOutput 這個指令的調(diào)用地址換成實際的 testOutput 的函數(shù)進(jìn)入點地址蒿秦。需要注意的是：連接器實際上將工程里的 .obj “連接” 成了一個 .exe 文件，而它最關(guān)鍵的任務(wù)就是上面說的蛋济，尋找一個外部連接符號在另一個 .obj 中的地址棍鳖，然后替換原來的“虛假”地址。
這個過程如果說的更深入就是：
call testOutput 這行指令其實并不是這樣的碗旅，它實際上是所謂的 stub渡处，也就是一個 jmp 0xABCDEF。這個地址可能是任意的祟辟，然而關(guān)鍵是這個地址上有一行指令來進(jìn)行真正的 call testOutput 動作医瘫。也就是說，這個 .obj 文件里面所有對 testOutput 的調(diào)用都 jmp 向同一個地址旧困，在后者那兒才真正 “call” testOutput醇份。這樣做的好處就是連接器修改地址時只要對后者的 call XXX 地址作改動就行了。但是吼具，連接器是如何找到 testOutput 的實際地址的呢（在本例中這處于 Test.obj 中）僚纷，因為 .obj 與 .exe 的格式是一樣的，在這樣的文件中有一個符號導(dǎo)入表和符號導(dǎo)出表（import table 和 export table）其中將所有符號和它們的地址關(guān)聯(lián)起來拗盒。這樣連接器只要在 Test.obj 的符號導(dǎo)出表中尋找符號 testOutput（假設(shè)符號叫 testOutput）的地址就行了怖竭，然后作一些偏移量處理后（因為是將兩個 .obj 文件合并，當(dāng)然地址會有一定的偏移陡蝇，這個連接器清楚）寫入 main.obj 中的符號導(dǎo)入表中 testOutput 所占有的那一項即可痊臭。
這就是大概的過程。其中關(guān)鍵就是：
1. 編譯 main.cpp 時登夫，編譯器不知道 testOutput 的實現(xiàn)广匙，所以當(dāng)碰到對它的調(diào)用時只是給出一個指示，指示連接器應(yīng)該為它尋找 testOutput 的實現(xiàn)體悼嫉。這也就是說 main.obj 中沒有關(guān)于 testOutput 的任何一行二進(jìn)制代碼艇潭。
2. 編譯 Test.cpp 時，編譯器找到了 testOutput 的實現(xiàn)。于是乎f的實現(xiàn)（二進(jìn)制代碼）出現(xiàn)在 Test.obj里蹋凝。
3. 連接時鲁纠，連接器在 Test.obj 中找到f的實現(xiàn)代碼（二進(jìn)制）的地址（通過符號導(dǎo)出表）。然后將 main.obj 中[懸而未決]的 call XXX 地址改成 testOutput 實際的地址鳍寂。完成改含。
然而，對于模板迄汛，我們知道捍壤，模板函數(shù)的代碼其實并不能直接編譯成二進(jìn)制代碼，其中要有一個“實例化”的過程鞍爱。舉個例子：
\\ ------- in Test.h start
#ifndef TEST_H
#define TEST_H
#include <QDebug>
template<typename T>
void testOutput(T test) {
qDebug() << "This is a test output: " << test;
}
#endif // TEST_H
\\ ------- in Test.h end
\\ ------- in main.h start
#include <QCoreApplication>
#include "ZDS/Test.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
testOutput("haha");
return a.exec();
}
\\ ------- in main.h end
也就是說鹃觉，如果你在 main.cpp 文件中沒有調(diào)用過 testOutput，testOutput 也就得不到實例化睹逃，從而 main.obj 中也就沒有關(guān)于 testOutput 的任意一行二進(jìn)制代碼盗扇！如果你這樣調(diào)用了：
f(10); // f<int>得以實例化出來
f(10.0); // f<double>得以實例化出來
這樣 main.obj 中也就有了 testOutput<int>，testOutput<double> 兩個函數(shù)的二進(jìn)制代碼段沉填。[以此類推]
然而實例化要求編譯器知道模板的定義疗隶，不是嗎？
看下面的例子（將模板的聲明和實現(xiàn)分離）：
\\ ------- in Test.h start
#ifndef TEST_H
#define TEST_H
template <typename T>
class Test
{
public:
Test(T v)
: t (v)
{}
void testOutput();
private:
T t;
};
#endif // TEST_H
\\ ------- in Test.h end
\\ ------- in Test.cpp start
#include "Test.h"
#include <QDebug>
template<typename T>
void Test<T>::testOutput()
{
qDebug() << "This is a test output: " << t;
}
\\ ------- in Test.cpp end
\\ ------- in main.cpp start
#include <QCoreApplication>
#include "ZDS/Test.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
Test<int> test(13);
test.testOutput(); // #1
return a.exec();
}
\\ ------- in main.cpp end
此時翼闹，運(yùn)行的話斑鼻，會提示：
main.obj:-1: error: LNK2019: 無法解析的外部符號 "public: void __thiscall Test<int>::testOutput(void)" (?testOutput@?$Test@H@@QAEXXZ)，該符號在函數(shù) _main 中被引用
編譯器在#1處并不知道 Test<int>::testOutput 的定義猎荠，因為它不在 Test.h 里面坚弱，于是編譯器只好寄希望于連接器，希望它能夠在其他 .obj 里面找到 Test<int>::testOutput 的實例法牲，在本例中就是 Test.obj史汗，然而，后者中真有 Test<int>::testOutput 的二進(jìn)制代碼嗎拒垃？NOＭＷ病！悼瓮！因為 C++ 標(biāo)準(zhǔn)明確表示戈毒，當(dāng)一個模板不被用到的時侯它就不該被實例化出來，Test.cpp 中用到了 Test<int>::testOutput 了嗎横堡？沒有Ｂ袷小！所以實際上 Test.cpp 編譯出來的 Test.obj 文件中關(guān)于 Test<int>::testOutput 一行二進(jìn)制代碼也沒有命贴，于是連接器就傻眼了道宅，只好給出一個連接錯誤食听。但是，如果在 Test.cpp 中寫一個函數(shù)污茵，使其調(diào)用 Test<int>::testOutput樱报，則編譯器會將其實例化出來，因為在（Test.cpp 中的）這個點上泞当，編譯器知道模板的定義迹蛤，所以能夠?qū)嵗谑墙笫浚琓est.obj 的符號導(dǎo)出表中就有了 Test<int>::testOutput 這個符號的地址盗飒，于是連接器就能夠完成任務(wù)。
關(guān)鍵是：在分離式編譯的環(huán)境下陋桂，編譯器編譯某一個 .cpp 文件時并不知道另一個 .cpp 文件的存在逆趣，也不會去查找（當(dāng)遇到未決符號時它會寄希望于連接器）。這種模式在沒有模板的情況下運(yùn)行良好章喉，但遇到模板時就傻眼了汗贫，因為模板僅在需要的時候才會實例化出來身坐，所以秸脱，當(dāng)編譯器只看到模板的聲明時，它不能實例化該模板部蛇，只能創(chuàng)建一個具有外部連接的符號并期待連接器能夠?qū)⒎柕牡刂窙Q議出來摊唇。然而當(dāng)實現(xiàn)該模板的 .cpp 文件中沒有用到模板的實例時，編譯器懶得去實例化涯鲁，所以巷查，整個工程的 .obj 中就找不到一行模板實例的二進(jìn)制代碼，于是連接器也黔驢技窮了抹腿。
所以岛请，目前我們必須要將 C++ 模板類的聲明和定義都要放在.h文件中：
\\ ------- in Test.h start
#ifndef TEST_H
#define TEST_H
#include <QDebug>
template <typename T>
class Test
{
public:
Test(T v)
: t (v)
{}
void testOutput();
private:
T t;
};
template<typename T>
void Test<T>::testOutput()
{
qDebug() << "This is a test output: " << t;
}
#endif // TEST_H
\\ ------- in Test.h end
\\ ------- in main.cpp start
#include <QCoreApplication>
#include "ZDS/Test.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
Test<int> test(13);
test.testOutput(); // #2
return a.exec();
}
\\ ------- in main.cpp end
此時，上述代碼才能夠順利運(yùn)行警绩。
注：本文參考自 《c++ 模板類 聲明和定義都放在.h文件的原因》
