Template Specilization 遇到的 Multiple Definition

雖然 Template 多習慣把實作寫在 hpp，若將 Template Specialiaztion 的實作寫在 hpp 卻可能發生問題。

假設有三個檔案，temp.hpp 寫著 template 與 Template Specialiaztion 的實作，兩個 cpp: main.cpp 與 func.cpp 分別都有 include temp.hpp。這會引發 multiple definition *。

/usr/bin/ld: /tmp/ccDDhAUZ.o: in function `Negative get_max<Negative>(Negative, Negative)':
main.cpp:(.text+0x0): multiple definition of `Negative get_max<Negative>(Negative, Negative)'; /tmp/cctmE6oD.o:funcs.cpp:(.text+0x0): first defined here
collect2: error: ld returned 1 exit status

解決方法有兩種

1. 宣告 Template Specialiaztion 於 hpp，實作放在 cpp
2. 一樣把實作放在 hpp，但是多宣告 inline 於 Template Specialiaztion 的實作上。

第一種方法還算好理解，但是為何宣告 inline 就可以解決 template specialiaztion 遇到的 multiple definition? 這關係 C++ 的一個原則: One Definition Rule.

One Definition Rule

這其實相當有趣，因為 function 是否 inline 取決於 compiler，即使宣告 inline 也不一定代表 compiler 會真的對 function inline。

那麼為何在 hpp 內對 Template Specialiaztion definition 宣告 inline 能解決問題? Stackoverflow 的回答 給出了解答。

根據 C++ standard 條目 3.2:4 (file P49 One definition rule)，可以拆成兩段來看:

(1) Every program shall contain exactly one definition of every non-inline function or variable that is odr-used in that program; no diagnostic required. The definition can appear explicitly in the program, it can be found in the standard or a user-defined library, or (when appropriate) it is implicitly defined (see 12.1, 12.4 and 12.8).

(2) An inline function shall be defined in every translation unit in which it is ODR use.

當 Specialiaztion 不是 inline 時被當作 non-inline function 對待，而對於 non inline function/variable，在 program 中只應該擁有一份 definition。因此兩次 include 同一份 template header 造成了問題: 多個 definition (include 的本質就是把 hpp 貼到 cpp 裡面)。

當 Specialiaztion 是 inline 的時候，Specialiaztion 滿足了條目的第二部分: inline function 必須被定義於每一個使用到的 translation unit，也就是該則回答裡面提到的 :

an inline function must be defined in each module using the function.

Inline Object 的特性

以下內容翻譯、解讀自 CPP reference - inline specifier

當 function 或 variable (C++17) 被宣告為 inline，代表它擁有以下特性 (以下簡稱 inline object)

1. 在每一個 TU (translation unit) 當中，inline object 的定義必須是可存取的。
2. 如果一個 inline object 被宣告於 hpp，並且此 hpp 被多個 cpp inlcude，表示
   • 此 inline obejct 擁有 External Linkage (它的名稱在其他 TU 被引用且沒有被宣告 static)
   • 它在多個 TU 之間可能擁有多個定義，但在每一個 TU 的定義都是相同的。儘管具有這些特性，最終是否予以 inline subsititution 卻仍由 compiler 決定。

Inline 的歷史淵源

Source: Cpp Reference

Inline 這個關鍵字最初、最廣為人知的用意是把 function call 替換成 function body 本身，也就是 inline substitution。其代價是 object file 變大，因為每個 call 到 inline 的地方都會被「貼上」一次，但有優化的作用。

然而，因為是否替換 function call 由 compiler 自由決定，被宣告 inline 的 function 不必然被替換，沒被宣告 inline 也不一定不被替換。這代表 inline function optimization 不在綁定於 keyword inline。

需要注意的是，Compiler 選擇 inline optimization 與否，並不會改變有關 multiple definition 的規定。

Function 最終被 compiler inline 與否，都不應該擁有 multiple definition。

在前面 「Inline Object 的特性」 提到，inline function 在多個 TU 當中是擁有多個定義 (multiple definitions) 的，且關鍵字 inline 並不與 inline subsititution 綁定。 這個關鍵字的意義逐漸從「偏好 inline optimization」轉變成 「允許多重定義」，且這重含意在 C++17 中被延伸到 variable 上面。

因此，當 Template Specialiaztion 透過 inline 可以解決 Multiple Definition 的原因，就來自於此。

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