Pytanka odnośnie kompilacji i linkowania

Question

Programuję już półtorej roku, a nadal nie rozumiem do końca pewnych rzeczy związanych z kompilacją i linkowaniem. Ostatnio bawię się też szablonami, więc coś postanowiłem się zapytać o kilka kwestii.

1. Dlaczego załączamy plik .h w mainie i pliku .cpp, a nie plik .cpp w pliku .h i .h w mainie? Przecież w ten sposób załączamy do pliku z gotowymi definicjami plik z samymi deklaracjami. Skoro mamy całe definicje to po co załączać jeszcze deklaracje?

2. Jeśli chodzi o szablony to nie chciało tak działać, nawet czytałem gdzieś dlaczego (chociaż już zapomniałem). Więc spróbowałem sposobu takiego

w mainie includuję plik .h

w pliku .h includuję plik .cpp

i voila, działa!

Nie byłem pewien czy nie jest to zła praktyka koderska, ale gdzieś przeczytałem, że tak właśnie z szablonami się robi i nazywa się to modelem włączania. Jest to nieoficjalne rozwiązanie bo standard C++11 nie określił chyba jeszcze dokładnie kwestii szablonów. Jednak ten sposób działa tylko dla szablonów, a dla zwykłych funkcji nie bo od razu są błędy kompilacji.

Jako, że tworzę własną bibliotekę alghorithms, w której chcę mieć zarówno zwykłe funkcje jak i szablony i chcę mieć deklaracje i definicje w oddzielnych plikach to zamiast includować plik .cpp ja includuję plik .def albo .aaa albo .xxx w pliku .h, a plik .h w mainie i wtedy wszystko działa. Czy jest to dobry pomysł, czy z jakiegoś powodu zły?

3. Czemu z rozmieszczeniem szablonów w plikach musi być tak niestandardowo?

4. Wyjaśniłby ktoś w miarę dokładnie i zarazem łopatologicznie jak to jest z tą kompilacją i linkowaniem? Jak to przebiega ogólnie, na co uważać etc?

Answer 1

Zaczynając: .h i .cpp to rozszerzenia. .cpp są kompilowane. Kiedy dołączasz coś przez #include, nie ma znaczenia, czy to .h, czy .cpp. #include to dosłownie copy-paste. To tak jakbyś zawartość A wkleił w miejscu #include <A>.

Przecież w ten sposób załączamy do pliku z gotowymi definicjami plik z samymi deklaracjami

Co do samych funkcji, zgadza się, definicja funkcji nie potrzebuje deklaracji. Ale już taka definicja metody klasy potrzebuje definicję klasy, która zazwyczaj jest w nagłówku. Ogólnie zależności są na tyle złożone, że zawsze w A.cpp  powinno się include'ować A.h, bo w 99% kod bez tego się nie skompiluje, a w pozostałym 1% to wciąż może doprowadzić do konfuzji w przyszłości.

Więc spróbowałem sposobu takiego

w mainie includuję plik .h

w pliku .h includuję plik .cpp

i voila, działa!
 

Twój plik .cpp (poza byciem niezależnie kompilowanym) z punktu widzenia main.cpp jest tylko kolejnym nagłówkiem. Rezultat taki jak gdybyś wrzucił kod szablonu do .h, tylko gorzej, bo jest dodatkowo kompilowany i robi się dziwnie. Ogólnie sprowadza się to do tego że

• nie include'uj .cpp
• nie wrzucaj implementacji szablonów "nagłówkowych" do .cpp

Czemu z rozmieszczeniem szablonów w plikach musi być tak niestandardowo?

Nie rozumiem pytania.

Wyjaśniłby ktoś w miarę dokładnie i zarazem łopatologicznie jak to jest z tą kompilacją i linkowaniem?

Wpisz "compiler linker" w google images. Obrazek mówi więcej niż tysiąc słów. Na przykład https://devblogs.nvidia.com/wp-content/uploads/2014/04/separate_compilation_linking.png . Jak nadal masz pytania, to pytaj.

Comments

Z tymi szablonami to chodzi mi o to, że nie wiem czemu w przeciwieństwie do zwykłych funkcji nie można zrobić nagłówków w .h a definicji w .cpp.

Twój plik .cpp (poza byciem niezależnie kompilowanym) z punktu widzenia main.cpp jest tylko kolejnym nagłówkiem. Rezultat taki jak gdybyś wrzucił kod szablonu do .h, tylko gorzej, bo jest dodatkowo kompilowany i robi się dziwnie. 

Czyli takie coś

#ifndef COS_H
#define COS_H

#include <iostream>
pozostałe biblioteki

using namespace std;

template <class typ>
int fun_szablonowa( argumenty );

int zwykla_fun( argumenty );

...

include "cos.cpp"


#endif

powinno zadziałać tak samo jak takie coś

#ifndef COS_H
#define COS_H

#include <iostream>
pozostałe biblioteki

using namespace std;

// HEADERS

template <class typ>
int czyBylaWylosowana( argumenty );

int zwykla_fun( argumenty );

...

// SOURCES

tutaj definicje

#endif

Dobrze to zrozumiałem? O co chodzi, że robi się dziwnie jak załączę plik .cpp?

---

Z tymi szablonami to chodzi mi o to, że nie wiem czemu w przeciwieństwie do zwykłych funkcji nie można zrobić nagłówków w .h a definicji w .cpp.

Szablon nie istnieje jako prawdziwy kod, póki nie zostanie użyty. (można próbować to porównać do projektu samochodu, który nie został jeszcze wyprodukowany, ale to naciągane) Kompilacja zamienia kod C++ na prawie-wykonywalny (patrz linker i pliki .o) kod binarny. Próba skompilowania pliku .cpp z implementacją szablonu da... nic, bo nigdzie nie został użyty. Gdzie jest informacja, że np. potrzebne jest użycie szablonu czyBylaWylosowana<double>? W miejscu gdzie jest używany, czyli np. main.cpp. Dlatego implementacja szablonu ma być widoczna z miejsca użycia - by można było skonkretyzować szablon dla tego konkretnego używanego typu.

Mam nadzieję że to ma jakiś sens.

 O co chodzi, że robi się dziwnie jak załączę plik .cpp?

Powtórzę: to robi dokładnie to samo, co gdybyś dołączył plik .cpp, .h, .asdf z tym samym tekstem. Różnica jest taka, że ten .cpp jest dodatkowo niezależnie kompilowany, co nie ma sensu, niczemu nie służy i może potem dodać jeszcze błędy przy linkowaniu.

---

Dzięki, teraz czaję to z szablonami.

Piszesz, że tylko plik .cpp jest dodatkowo niezależnie kompilowany? Czyli jak rozdzielę na plik .h i .def ( a nie .cpp ) to będzie ok? Czy też jest to ryzykowne lub z jakiegoś powodu nieopłacalne?

A ta druga wersja, gdzie mam w jednym pliku .h najpierw deklaracje, a potem definicje jest poprawna? Bo coś mi mówi, że ma to taki sam efekt jak gdybym miał same definicje, a na kompilację nie ma wpływu, więc wszystko jest ok? Pewnie ktoś spyta, po co mi w jednym pliku najpierw deklaracje skoro kawałek dalej mam całe definicje. Otóż chodzi o przejrzystość kodu, żebym nawet dla funkcji szablonowych mógł oddzielnie przeglądać nagłówki i definicje.

---

Tu jeszcze szybki obrazek powyższego:

http://puu.sh/wrDbb/94a3e9a7fe.png

Bo coś mi mówi, że ma to taki sam efekt jak gdybym miał same definicje, a na kompilację nie ma wpływu, więc wszystko jest ok?

Osobne deklaracje są potrzebne w zasadzie tylko, gdy musisz skorzystać z zadeklarowanej rzeczy nad definicją. Dla szablonów jest to dość rzadkie i w praktyce nikt nie robi osobnych deklaracji i definicji szablonów, jeśli nie ma ku temu konkretnej potrzeby.

---

Ten obrazek mówi wszystko.

Ale osobne deklaracje sprawiają, że można sobie wygodnie przeglądać nagłówki z komentarzami jak spis treści, zamiast przewijać długie definicje. No i chcę mieć w jednej bibliotece zarówno zwykłe funkcje jak i szablonowe. I tylko po to mi potrzebne te dodatkowe deklaracje. Nie jest to chyba błąd?

Answer 2

Jako, że wcześniejsze zagadnienia wyjaśnili koledzy, to umieszczam tylko przydatne linki do procesu kompilacji.

Kompilacja to dość złożony proces, jednak uważam, że artykuł jak i video doskonale go opisują. [Polecam zacząć od artykułu, bo wtedy sposób omawiania na filmie staje się dość klarowny]

Artykuł nt. proces kompilacji w GCC

Video dot procesu kompilacji w C/C++

 

Answer 3

1. Dlatego, że plików źródłowych (.cpp) się nie załącza w plikach nagłówkowych (.h). Pliki źródłowe powinny być kompilowane tylko raz.
2. definicje metod szablonowych (podobnie jak funkcje inline) muszą być widoczne przez kompilator w miejscu konkretyzacji szablonu, dlatego cały szablon musi być w pliku nagłówkowym. Wyjątkiem są pełne specjalizacje funkcji/metod/klas.
3. patrz 2.