c++でtemplate classのコンストラクタやメンバ関数を別ファイルで定義したい

Question

#質問を行う経緯

自作の行列演算を行うクラスの作成をしたいです．ただ，制作途中でコンストラクタ含めいろいろなところでエラーが発生したため解決案を知りたいです．

#コード

namespace MY_var{
template <class T, ssize_t row, ssize_t col>
        using square_array = std::array< std::array<T, col> , row>;
}

/**　matrix.hpp　**/
template <ssize_t row, ssize_t col>
class Matrix {
    
    /**　行列　**/
    MY_var::square_array<double, row, col> matrix;
    
    /**　行　**/
    int rows;
    
    /**　列　**/
    int cols;
    
public:
    
    /**　コンストラクタ　**/
    Matrix();
    
    
    /**　デストラクタ　**/
    ~Matrix();
};

/**　matrix.cpp　**/

template <ssize_t row, ssize_t col>
Matrix<row,col>::Matrix(){
    this->rows = row;
    this->cols = col;
}


template <ssize_t row, ssize_t col>
Matrix<row,col>::~Matrix(){
}

/**main.cpp**/

int main(){

Matrix<1, 1> *a = new Matrix<1, 1>;
    
delete a;

return 0;
}

#エラー内容

Undefined symbol: Matrix<1l, 1l>::Matrix()
Undefined symbol: Matrix<1l, 1l>::~Matrix()

#したいこと
コンストラクタや関数の定義はmatrix.cppで行いたいです．(matrix.hpp内で書く場合は動きます．)

Answer 1

コンストラクタや関数の定義はmatrix.cppで行いたいです．

できません(やれんこともないけど極めて限定的)。

template <ssize_t row, ssize_t col>
Matrix<row,col>::Matrix() {...}

は、テンプレート引数 row, col が確定しないことにはコンパイルできませんから。

Answer 2

コンストラクタや関数の定義はmatrix.cppで行いたいです．

C++のテンプレートは、引数ごとに必要なクラスを生成するという形となっています。

そのため、「ヘッダにコードを書いて、使った側でどこでも実体化できるようにしておく」という仕組みを取らない場合、必要な引数を与えたクラスを、メソッドを定義したファイル内で実体化しておく必要があります。

ssize_tに与えられる数が固定的で何パターンかしかない、という状況でなければ、テンプレートとしての実用性が大きく制限されることとなります。

Comments

[GAKU_SAY]

非常にわかりやすかったです．ありがとうございます．

Answer 3

テンプレートは実体化 (インスタンス化ともいう) という工程によって具体的な型にならないと使えません。 通常は暗黙の実体化と呼ばれる仕組みによって「使用されていたら実体化する」というルールです。 (複数の翻訳単位に同じ実体がある場合には統合されてひとつになる。) 使用する場所において定義が見えない場合には実体を作れないためにエラーになるのです。

同じ実体が各翻訳単位で作られる可能性があるのは無駄ではありますし、多少はコンパイル時間も伸びますので実体化を抑制する手段として extern template というものが用意されてはいます。 extern template で宣言すると「ここでは実体化しない」という意味になります。

ただ、 extern template で実体化を抑制してもプログラム全体のどこかでは実体が作られていないといけないことにはかわりないので他の翻訳単位で明示的実体化が必要です。 質問者の提示したコードを用いて例示すると以下のように書けます。 御覧の通り、必要となる実体を個別に実体化しなければならないのであまり使い勝手のよいものではないです。 よほど特別な事情がない限りテンプレートはヘッダファイルに書くものだと考えたほうがよいです。

/**main.cpp**/

#include <cstddef>
#include <array>
#include "matrix.hpp"

// Matrix<1, 1> の実体化をこの翻訳単位ではやらないという指示
// 逆に言えば他の翻訳単位で実態化されていなければならない
extern template class Matrix<1, 1>;

int main(){
    Matrix<1, 1> *a = new Matrix<1, 1>;
    delete a;
    return 0;
}

/**　matrix.hpp　**/

#include <array>

namespace MY_var{
template <class T, std::size_t row, std::size_t col>
        using square_array = std::array< std::array<T, col> , row>;
}

template <std::size_t row, std::size_t col>
class Matrix {
    MY_var::square_array<double, row, col> matrix;
    int rows;
    int cols;
public:
    Matrix();
    ~Matrix();
};

/**　matrix.cpp　**/

#include <array>
#include "matrix.hpp"

template <std::size_t row, std::size_t col>
Matrix<row,col>::Matrix(){
    this->rows = row;
    this->cols = col;
}

template <std::size_t row, std::size_t col>
Matrix<row,col>::~Matrix(){
}

// Matrix<1, 1> に関してここで実態化しておくという明示的な指示
template class Matrix<1, 1>;

Comments

[GAKU_SAY]

長文でわかりやすい解説と解決案を出してくださりありがとうございます．

vectorを使用して作成しようと思います．