El comportamiento que describes se da por la combinación las siguientes características de la compilación de código c++:
- Los "niveles de existencia" de los objetos.
- Los archivos de cabecera no se compilan.
- Las plantillas se instancian inline.
Vamos punto por punto.
Niveles de existencia.
En c++ un objeto puede estar conceptualmente en tres "niveles de existencia": declarado, definido o instanciado. Pero el caso de las plantillas es especial; antes de explicar por qué voy a describir los conceptos que he mencionado.
Declaración: Se indica que la plantilla existe sin detallar cómo es; el nombre de la plantilla podrá usarse siempre que no provoque la creación de una instancia. En otras palabras, nos describe la plantilla sin entrar en detalles:
Definición: Se describe la plantilla al detalle, cuenta como declaración si no había declaración previa, puede instanciarse la plantilla sin limitaciones. Es decir, nos detalla la plantilla al completo:
Instanciación: Cuando se indican (o se deducen) los parámetros de la plantilla. En otras palabras, crea lo que corresponda con las características indicadas:
Las cabeceras no se compilan.
En general los archivos de cabecera (*.hpp
) se usan para declaraciones y los archivos de código (*.cpp
) se usan para definiciones. Si le pides a un compilador que compile un archivo de cabecera no generará código.
A un nivel más técnico un archivo de código es una unidad de traducción la cual se genera combinando todas las definiciones con todas las declaraciones las cuales llegan al archivo de código mediante la cláusula #include
.
Las plantillas se instancian inline.
Normalmente un objeto C++ se instancia así:
tipo_t obj; // Instanciamos un objeto llamado 'obj' de tipo 'tipo_t' .
Pero una plantilla no puede instanciarse así, ya que necesita saber cuáles son sus parámetros de palntilla:
template <typename T>
struct plantilla {};
plantilla p; // ¡Error!
plantilla<int> pi; // Correcto, es una plantilla sobre 'int'.
plantilla<short> ps; // Correcto, es una plantilla sobre 'short'.
Nos encontramos el caso de que una plantilla no se instancia hasta que se le proveen los parámetros de plantilla, también podemos ver que una misma declaración de plantilla puede dar lugar a múltiples definiciones las cuales sólo son conocidas en el momento de instanciar: en la misma línea en que se instancian... es decir inline.
Ahora que hemos repasado eso ¿Qué está pasando con las plantillas separadas en archivos de cabecera y código? Veamos un sencillo ejemplo:
f.hpp
template <typename T>
void f(const T &); // Declaración
f.cpp
#include "f.hpp"
#include <iostream>
template <typename T>
void f(const T &t) // Definición
{
std::cout << t;
}
main.cpp
#include "f.hpp"
int main()
{
f(0); // ¡Error! No tenemos el cuerpo de f<int>()
return 0;
}
Cuando se crea la unidad de traducción de main
, se compila el resultado de pasar el preprocesador por el archivo main.cpp
, que podría tener este aspecto:
template <typename T>
void f(const T &); // Declaración
int main()
{
f(0); // ¡Error! No tenemos el cuerpo de f<int>()
return 0;
}
En main
estamos instanciando la plantilla f(const T &)
como f(const int &)
así que busca el cuerpo de f(const int &)
pero no lo encuentra y da error.
Si hubiese sido una función normal (no una función plantilla) la definición de la función estaría en una unidad de traducción que se habría compilado y el enlazador la habría encontrado. Pero al ser una función plantilla el compilador no ha compilado nada ya que en el archivo de código (*.cpp
) no le hemos dicho qué instancia debe compilarse (las plantillas se instancian inline) ¡eso sólo se ha dicho en main.cpp
!
Las posibles soluciones son:
- No separes el código de plantilla en archivos cabecera y código.
f.hpp
#include <iostream>
template <typename T>
void f(const T &t) // Declaración y definición
{
std::cout << t;
}
- Incluye el archivo de código de la plantilla (no hace falta que se llame
*.cpp
puede tener una extensión arbitraria).main.cpp
#include "f.hpp"
#include "f.cpp"
int main()
{
f(0); // Correcto, encontramos el cuerpo de f<int> al incluir "f.cpp"
return 0;
}