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c++ で template関数を使う場合に特殊化により関数を制作する時に、template関数が定義されているヘッダーを複数のソースに使う場合に同じ関数が二度生成されてしまいますが、これはどう解決すればよいですか?
例えば次のような場合です。

// header_temp.hpp
template <typename T>
void foo(T a) {
    cout << a << endl;
}

// source_1.cpp
#include "header_temp.hpp"
#include "header_class_alice.hpp" // class Aliceが定義されている
void hoge() {
    foo<Alice>(10);
}

// source_2.cpp
#include "header_temp.hpp"
#include "header_class_alice.hpp"
void fuga() {
    foo<Alice>(10);
}

上記の場合はsource_1.cppのコンパイルの際に関数foo<Alice>が生成され、source_2.cppをコンパイルする際にまた関数foo<Alice>が生成されます。今、関数foo<Alice>はinlineに定義されていないので、厳密には同じ関数が二度定義されています。これはリンクの際に問題を起こします。この解決のためにはソースの内一つでtemplate void foo<Alice>(Alice)して、残りのソースではextern void foo<Alice>(Alice);するか、template fooの定義をそもそもinlineにすることですが、関数が大きくなるとinlineにしてソースごとに関数の定義をしてしまうのはバイナリーサイズの観点で浪費があると考えます(完全に同じ関数を二回定義しているので)。

template関数自体は共有ライブラリーみたいにはできないので(その特殊化はできますが)、このような問題は必ず生じかねないとは思いますが、もし上記のtemplate, externを使った方法以外にプログラムバイナリーでtemplateにより生成された特殊化関数void foo<Alice>(Alice)が一つだけ存在する様にするにはどうすればよいでしょうか?

そしてこのことによると、stlのvectorなどのcontainerは複数のソースでvector<Alice>で定義されたcontainerが生成された場合に、ソースごとにvector<Alice>::push_backなどのメソッドを生成することになりますが、そうでしょうか?

1 件の回答 1

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template をコンパイルすると(特殊化しても・しなくても)、複数個の翻訳単位で同じ関数・クラス定義が翻訳され、
複数個のオブジェクトファイル中に同じ変数や関数が生成されます。
現代的 に対応したコンパイラ+リンカなら template の翻訳結果は weak symbol/function となります。
weak とはリンク時最適化により、
- 複数のオブジェクトファイル中に複数の実装がある場合に
- リンク後の実行形式にはそのうちの1つだけが残るというものです。

異なる翻訳単位にて生成されるであろう「同一変数・関数」が本当に同一内容である場合に限り
そのうちの1つだけを残す最適化が適用可能なわけです。
それゆえに One Definition Rule がある、ということになります。

なので質問にあるところの

ソースごとにvector::push_backなどのメソッドを生成することになりますが、そうでしょうか?

この疑問に対する答えは Yes 複数のオブジェクトファイル中に同じ変数・関数が生成されます。

一つだけ存在する様にするにはどうすればよいでしょうか?

この疑問に対する答えは「考慮する必要はありません」(処理系側で対処してくれています)

バイナリーサイズの観点で浪費があると考えます

オブジェクトファイルのバイナリーサイズの観点ではまさに無駄そのものです。
最終的に生成される実行形式ファイルのバイナリーサイズは無駄になりません。

template な、つまり昔ながらの通常関数・変数をコンパイルすると STRONG になり
リンク時最適化の挙動は変化します。 STRONG なシンボルは
- 重複定義はリンク時エラーとなります
- 同一シンボルが STRONG/WEAK の両方で定義されていると STRONG が採用され WEAK は無視されます

同一名称の関数が template なものと 非 template なものと、両方あるとき
template なものが消失し 非 template なものだけ残るのはこの辺に由来します。

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  • 1
    templateで定義された関数・クラスは複数の .o ファイルで同一な名前(void foo<Alice>(Alice))の関数が存在できて、この名前はweakに定義されていて、リンクの際に最適化されて複数の同じ実装が一つになるという理解で大丈夫ですか? では、templateをinlineにするのは、リンクの際に一つになるはずの関数が使われる箇所でinline化されてしまうので実行バイナリーのサイズには無駄が生じるようになりそうですね。バイナリーのサイズを抑えたいとすればtemplateをinlineに定義するのは控えた方が良さそうです。
    – 10ants
    Commented 2015年8月9日 23:17
  • 1
    はいその理解で正しいです。 inline にするのが適切かそうでないかは微妙な問題です。そこそこ小さい関数であれば inline 展開したほうが真の関数呼び出し手続きより速度面・サイズ面で軽量化することは多くあります。逆に inline 展開されることでコードサイズ増大によりキャッシュヒット率が下がり速度低下することもあります。実際のコードでどうなるかはやってみないとわからないですね。
    – 774RR
    Commented 2015年8月9日 23:33

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