Статическая переменная шаблона

Я не могу понять, почему, если мы определяем статическую переменную обычного (не шаблонного) класса в заголовке, мы имеем ошибку компоновщика, но в случае шаблонов все работает нормально, и более того, у нас будет один экземпляр статической переменной среди все единицы перевода:

Заголовок шаблона (template.h):

// template.h
template<typename T>
class Templ {
public:
  static int templStatic;
};

template<typename T> Templ<T>::templStatic = 0;

Первый блок с использованием шаблона (unit1.cpp)

// unit1.cpp
#include "template.h"

int method1() {
  return Templ<void>::templStatic++;
}

Вторая единица здесь (unit2.cpp):

// unit2.cpp
#include "template.h"
int method2() {
  return Templ<void>::templStatic++;
}

И, наконец, main.cpp:

// main.cpp
#include <iostream>
int method1();
int method2();

int main(int argc, char** argv) {
  std::cout << method1() << std::endl;
  std::cout << method2() << std::endl;
}

После компиляции, связывания и выполнения этого кода у нас будет следующий вывод:

0
1

Итак, почему в случае шаблонов все работает нормально (и как ожидалось)? Как справиться с компилятором или компоновщиком (мы можем скомпилировать каждый файл .cpp в отдельном вызове компилятора, а затем связать их с помощью caling to linker, поэтому компилятор и компоновщик не "видят" все файлы .cpp в одно и то же время)?

PS: Мой компилятор: msvcpp 9 (но также проверено на mingw)

Ответ 1

Это потому, что определение статического элемента данных является самим шаблоном. Разрешение этого необходимо по той же причине, что вам разрешено иметь шаблон функции, который не встроен несколько раз в программу. Вам нужен шаблон для создания результирующего объекта (скажем, функции или статического члена данных). Если вам не удастся установить определение статического элемента данных, как бы вы создавали экземпляр следующих

template<typename T>
struct F {
  static int const value;
};

template<typename T>
int const F<T>::value = sizeof(T);

Неизвестно, что означает T - стандарт говорит, что определение вне шаблона класса является определением шаблона, в котором параметры наследуются от владельца шаблона класса.

Я провел эксперимент с GCC. В следующем случае мы имеем одно неявное создание экземпляра F<float>::value и одну явную специализацию F<char>::value, которая должна быть определена в файле .cpp, чтобы не приводить к дублированным ошибкам символа при включении нескольких раз.

// Translation Unit 1
template<typename T>
struct F {
  static int value; 
};

template<typename T>
int F<T>::value = sizeof(T);

// this would belong into a .cpp file
template<> int F<char>::value = 2;

// this implicitly instantiates F<float>::value
int test = F<float>::value;

int main() { }

Вторая единица перевода содержит только другое неявное создание одного и того же статического элемента данных

template<typename T>
struct F {
  static int value; 
};

template<typename T>
int F<T>::value = sizeof(T);

int test1 = F<float>::value;

Вот что мы получаем с GCC - он делает каждое неявное создание в слабых символах и вставляет его в свой раздел. Слабые символы не будут вызывать ошибок, если их несколько во время соединения. Вместо этого компоновщик выберет один экземпляр и отбросит другие, считая, что все они одинаковы.

objdump -Ct main1.o # =>
# cut down to the important ones
00000000 l    df *ABS*  00000000 main1.cpp
0000000a l     F .text  0000001e __static_initialization_and_destruction_0(int, int)
00000000 l    d  .data._ZN1FIfE5valueE  00000000 .data._ZN1FIfE5valueE
00000028 l     F .text  0000001c global constructors keyed to _ZN1FIcE5valueE
00000000 g     O .data  00000004 F<char>::value
00000000 g     O .bss   00000004 test
00000000 g     F .text  0000000a main
00000000  w    O .data._ZN1FIfE5valueE  00000004 F<float>::value

Таким образом, как мы можем видеть, F<float>::value является слабым символом, который означает, что компоновщик может видеть несколько из них во время связи. test, main и F<char>::value - глобальные (не слабые) символы. Связывая main1.o и main2.o вместе, мы видим на выходе карты (-Wl,-M) следующее

# (mangled name)
.data._ZN1FIfE5valueE
    0x080497ac        0x4 main1.o                                             
    0x080497ac                F<float>::value

Это означает, что на самом деле он удаляет все, кроме одного экземпляра.

Ответ 2

Существует решение, вы можете создать родительский класс и поместить в него статическую переменную, а затем сделать свой класс шаблона наследованием его частным образом, вот пример:

class Parent
{
protected: 
    static long count;
};

long Parent::count = 0;

template<typename T>
class TemplateClass: private Parent
{
private: 
    int mKey;
public:
    TemplateClass():mKey(count++){}
    long getKey(){return mKey;}
}

int main()
{
    TemplateClass<int> obj1;
    TemplateClass<double> obj2;

    std::cout<<"Object 1 key is: "<<obj1.getKey()<<std::endl;
    std::cout<<"Object 2 key is: "<<obj2.getKey()<<std::endl;

    return 0;
}

Выход будет:

Object 1 key is: 0 
Object 2 key is: 1