前提

ライブラリを作ろうと、C++におけるファイル分割を学習しています。

実現したいこと

クラスをヘッダーとソースファイルに分ける。
他のファイルからクラスを呼び出す。

発生している問題・エラーメッセージ

PS > g++ -c .\packages\sample.cpp
PS > g++ -o test .\sample.o .\test_sample.cpp
c:/mingw/bin/../lib/gcc/mingw32/9.2.0/../../../../mingw32/bin/ld.exe: C:\Users\iru\AppData\Local\Temp\cccMYCRb.o:test_sample.cpp:(.text+0x3e): undefined reference to `sample::sample::sample<int>(int, int const&)'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status

該当のソースコード

package/sample.h
1#pragma once
2
3namespace sample
4{
5    class sample
6    {
7        public:
8            template <class tp>
9            sample(tp, const int&);
10            void print();
11    };
12}
13

package/sample.cpp
1#include "sample.h"
2using namespace sample;
3template <class tp>
4sample::sample::sample(tp, const int&){}
5void sample::sample::print(){}
6

test_sample.cpp
1#include "packages/sample.h"
2
3int main(void)
4{
5    sample::sample i = *(new sample::sample(1, 2));
6    i.print();
7}
8

試したこと

test_sample.cppにてヘッダーではなく, package/sample.cppをincludeするとコンパイルが通りました。

補足情報

端末はWindows11、Visual Studio Codeを利用しています。
ターミナルはpowershellです

回答2件

結論から

関数テンプレートの定義は分離せずにヘッダに書くのが最も問題が少なく一般的な習慣です。特別な理由がなければその習慣に従っておくのが無難です。

関数≠関数テンプレート

関数テンプレートは関数ではありません。関数テンプレートは様々な型に対応した関数というわけではなく、様々な型を当てはめて関数を生成する元になるものです。

質問の例ではテンプレートパラメタ tp に int を当てはめることによって sample::sample<int>(int, const int&) という関数になるのであって、たとえば double を当てはめたものを作れば別の関数として実体が作られます。あてはめる型ごとに個別に実体が作られます。

関数テンプレートから作られる実体

関数テンプレートが使用 (呼び出し) されている箇所があれば対応する実体がその翻訳単位内で暗黙に作られるというルールです。 (その上でリンクのときに同じ実体は統合されてひとつのものになります。)

質問の例では test_sample.cpp に sample::sample(1, 2) という呼び出しがありますからこの翻訳単位の中で実体を作ろうとします。しかしこの翻訳単位には生成する元になるテンプレートがないわけですから実体を作ることができません。

実体化の抑制と明示的実体化

extern template と呼ばれる宣言で暗黙の実体化を抑制できますのでその翻訳単位内にテンプレートの定義がないことによるエラーは出なくできます。しかしプログラム全体のどこかでは実体が存在する必要があるので実体化させたいところで明示的実体化の宣言をする必要があります。

cpp
1// sample.h
2#pragma once
3
4namespace sample {
5    class sample {
6        public:
7            template <class tp>
8            sample(tp, const int&);
9            void print();
10    };
11
12    // 実体化の抑制を宣言。 int を適用した実体を暗黙に作ることはしない
13    extern template sample::sample<int>(int, const int&);
14}

cpp
1// sample.cpp
2#include "sample.h"
3using namespace sample;
4template <class tp>
5sample::sample::sample(tp, const int&){}
6void sample::sample::print(){}
7
8// 明示的な実体化。 int を適用した実体を作る
9template sample::sample::sample<int>(int, const int &);

cpp
1// main.cpp
2#include "sample.h"
3
4int main(void)
5{
6    sample::sample i = *(new sample::sample(1, 2));
7    i.print();
8}

これで一応はコンパイルを通すことは出来るようになります。

実体化の抑制と明示的実体化の問題点

見ればわかると思いますが抑制と実体化は適用するテンプレートパラメタごとに宣言することになるので管理が面倒です。テンプレートは色々な型に対応できるところが価値であるのに事前に想定して個別に宣言するというのではいかにも不格好です。

コンパイル時間が問題になるほどの状況に対するチューニング用の機能として考えるべきであって、プログラムの構成を整理したいという目的に対しては有用ではありません。

なぜこんなことに

C++ は翻訳単位ごとにコンパイルしてリンクするという手順を前提にしているので翻訳単位の独立性が高いです。他の翻訳単位でどれが実体化されているか知りませんし、どれを必要としているかも知りません。故に宣言を書くことによって伝えるという形式をとる必要があるのです。

テンプレートの宣言だけのヘッダと実装のヘッダを分ける形で運用をしている事例もなくはないようですが、私自身が見たことはあまりないのでそれほど便利でもないんだと思います。

余談

質問の主旨とは違うところですが気になったので念のため。

名前空間名とクラス名を同じ名前にするのは避けたほうがよいです。名前空間は名前の衝突を避けるのが主な目的であるのにそれ自体が衝突の原因になってしまうかもしれません。

cpp
1namespace foo {
2    class foo {};
3}
4
5using namespace foo;
6
7int main(void) {
8    // この foo が名前空間の foo か クラス名の foo かわからず曖昧というエラーになる
9    foo bar;
10}