C++ template使用注意事項

這篇是對上一篇python-like cpp譔寫過程中，遇到的一個疑問。
主因是我在寫一個含有template的Array class，雖然說內容是抄別人的，可是個人自作聰明做了些小修改，結果編譯怎麼樣就是不會過，後來才在google上找到解法，在這裡記錄一下。 我查到最完整的回答是：
http://stackoverflow.com/questions/8752837/undefined-reference-to-template-class-constructor
看到有人的評論是：This has been answered a million times.。我也知道這個問題對比我厲害一點的人都是常識了，可能N年前修資料結構甚至程式設計的時候就被表過了，不過我倒是第一次遇到，大概是從來沒好好的寫過程式吧。
以下就整理一下問題的相關背景、發生原因和解決方式，主要都參考上面的回答。

1. 問題背景：
程式架構其實相當的芭樂，自定義的class Array：Array.h, Array.cpp，記錄一個template類型的動態陣列，會在初始化時排定空間，透過get和set 對其中的元素取值或賦值。
當我在main裡面使用Array a(10)，然後將main.cpp, Array.cpp一同編譯時，就出現了下列的錯誤訊息：

main.cpp:(.text+0x1d): undefined reference to `Array::Array(int)'
main.cpp:(.text+0x3d): undefined reference to `Array::set(int const&, int&)'
main.cpp:(.text+0x6f): undefined reference to `Array::get(int const&)'
main.cpp:(.text+0xb8): undefined reference to `Array::get(int const&)'
main.cpp:(.text+0xd8): undefined reference to `Array::~Array()'
main.cpp:(.text+0x183): undefined reference to `Array::~Array()'

總之一切定義、用到的function都找不到。

2. 問題原因：
我們可以把class分為三個階段：Array.h檔內宣告、Array.cpp檔內定義、main.cpp內使用。 這個問題的原因在於，gcc在編譯時並不會同時編譯所有檔案，而是將檔案視為獨立，最後透過linker將上述的檔案連結在一些，消除其中的reference。
template只是一個標註，告訴compiler這個型別還未定型並可置換，當指定如何使用時，才會解開置換並編譯相關的原始碼，compiler在處理Array.cpp時，完全不會編譯Array<int>, Array<float>…等class，除非如下文所示，利用強制的方式指定編譯某個型態；處理main.cpp時，gcc的確在Array.h裡面看到Array的宣告式，因此它將Array的function設為reference，讓linker去尋找相對應的執行碼。
最後linker要連結時就發生問題了，main.cpp要求Array的code，但在Array.cpp裡面卻沒有，就成了undefined reference。

3. 解決方法：
這個問題有三個可行的解決方法：
第一是不要像我一樣傻傻的把class分成兩個檔案，而是直接將宣告和定義寫在相同的.h裡，如此一來，編譯main.cpp時遇到Array即可在Array.h裡面找到對應的template code並編譯。
第二種解決方法，是在Array.cpp的檔案末端，明確的告訴編譯器，這裡有哪些型別的class需要編譯：

template class Array;
template class Array;
… 

產生的Array.o內部，就有Array編譯完成的code供連結。
第三種方法是直接在使用的地方#include Array.cpp

三種方法各有優劣。
第一種方法容易加大原始碼的大小，並把定義和宣告寫在同一個檔案內，也會增加編譯時的成本。
第二種方法的彈性較低，寫了哪些就只能用哪些，對於大多數的STL物件或許還OK，如果程式中有自定義的class就成了大問題；現今STL為了支援泛型，都是用第一種方法來譔寫。
第三種方法當然也OK，但其實跟第一種方法沒什麼兩樣，甚至還會增加引入時的複雜度和錯誤的可能性。

4. 結論：
template算是泛型程式的基礎，讓程式碼可以依據使用者的需求，編譯出不同的執行檔。 也因此，在使用template時，程式的宣告和定義無法分離於不同的檔案。
一般來說，採用將宣告與定義放在同一個檔案內是基本的做法，可以保有未來的擴增性；如果這份程式只是自己的project內要使用，確定只支援哪些類型，就可以分離兩部分，並明確指明編譯哪些類型。

5. 致謝： 本文內容感謝黃偉寧(AZ Huang)同學指點，感謝諸位的觀看