自动化显式模板实例化

Question

为了减少模板繁重的项目中的编译时间，我尝试在单独的编译单元中显式实例化许多模板。因为这些模板依赖于enum class 成员，所以我能够列出所有可能的实例化。我希望所有其他 cpp 文件只看到声明。虽然我能够做到这一点，但我在尝试分解显式实例时遇到了问题。我将首先在下面解释 2 个工作示例，以解释我的问题到底是什么（示例 3）：

示例 1

/* test.h
   Contains the function-template-declaration, not the implementation.
*/

enum class Enum
{
    Member1,
    Member2,
    Member3
};

struct Type
{
    template <Enum Value>
    int get() const;
};

/* test.cpp
   Only the declaration is visible -> needs to link against correct instantiation.
*/

#include "test.h"

int main() {
    std::cout << Type{}.get<Enum::Member1>() << '\n';
}

/* test.tpp 
   .tpp extension indicates that it contains template implementations.
*/

#include "test.h"

template <Enum Value>
int Type::get() const
{
    return static_cast<int>(Value); // silly implementation
}

/* instantiate.cpp
   Explicitly instantiate for each of the enum members.
*/

#include "test.tpp"

template int Type::get<Enum::Member1>() const;
template int Type::get<Enum::Member2>() const;
template int Type::get<Enum::Member3>() const;

如前所述，上面的编译和链接没有问题。然而，在实际应用中，我有很多函数模板和更多枚举成员。因此，我尝试通过将成员分组到一个新类中来让我的生活更轻松一些，该类本身取决于模板参数并为每个枚举值显式实例化该类。

示例 2

// instantiate.cpp

#include "test.tpp"

template <Enum Value>
struct Instantiate
{
    using Function = int (Type::*)() const;
    static constexpr Function f1 = Type::get<Value>;
   
    // many more member-functions
};

template class Instantiate<Enum::Member1>;
template class Instantiate<Enum::Member2>;
template class Instantiate<Enum::Member3>;

这仍然有效（因为为了初始化指向成员的指针，必须实例化该成员），但是当枚举成员的数量很大时，它仍然会很乱。现在我终于可以解决这个问题了。我想我可以通过定义一个依赖于参数包的新类模板来进一步分解，然后它从包中的每个类型派生，如下所示：

示例 3

// instantiate.cpp

#include "test.tpp"

template <Enum Value>
struct Instantiate { /* same as before */ };

template <Enum ... Pack>
struct InstantiateAll:
    Instantiate<Pack> ...
{};

template class InstantiateAll<Enum::Member1, Enum::Member2, Enum::Member3>; 

这应该可行，对吧？为了实例化InstantiateAll<...>，必须实例化每个派生类。至少，这是我的想法。以上编译但导致链接器错误。在用nm 检查instantiate.o 的符号表后，确认没有任何东西被实例化。为什么不呢？

当然，我可以通过使用示例 2，但它真的让我很好奇为什么事情会这样崩溃。

（使用 GCC 10.2.0 编译）

编辑：在 Clang 8.0.1 上也会发生同样的情况（尽管在分配函数指针时我必须明确使用操作符地址：Function f1 = &Type::get<Value>;）

编辑：用户 2b-t 请通过https://www.onlinegdb.com/HyGr7w0fv_ 提供示例供人们试验。

Answer 1

如果编译器发现没有引用该代码，即使对于具有副作用的静态初始化，它也可以消除它，我认为您的示例就是这种情况。它可以“证明”那些类实例化没有被使用，因此副作用就消失了。

对于非标准解决方案，但适用于 g++（可能是 clang，但未经测试）的解决方案是使用“used”属性标记您的静态数据成员：

template <Enum Value>
struct Instantiate
{
    using Function = int (Type::*)() const;
    static constexpr Function f1 __attribute__((used)) = &Type::get<Value>;
   
    // many more member-functions
};

更新

回顾标准，措辞似乎完全倒退了：

"如果一个静态存储持续时间的对象有初始化或 有副作用的析构函数，即使它也不会被消除 似乎没有使用，除了一个类对象或其副本可能是 按...中指定的方式消除"

所以几十年来我一直在想这个，现在我不确定我在想什么。 :) 但它似乎相关，因为属性有帮助。但现在我必须了解发生了什么。

Answer 2

我还不能给你一个很好的答案来解释为什么这不起作用（也许我以后可以这样做，或者其他人可以这样做），而不是让 Instantiate 和 InstantiateAll 有 只有一个可变参数 @ 987654324@如下作品

template <Enum ... Pack>
struct InstantiateAll {
  using Function = int (Type::*)() const;
  static constexpr std::array<Function,sizeof...(Pack)> f = {&Type::get<Pack> ...};
};
template class InstantiateAll<Enum::Member1, Enum::Member2, Enum::Member3>;

试试here。