C++20四大之一：module特性详解

前言

C++20最大的特性是什么？
——最大的特性是迄今为止没有哪一款编译器完全实现了所有特性。

C++20标准早已封版，各大编译器也都已支持了C++20中的多数特性，但迄今为止（2021.7），尚未有哪一款编译器完整支持C++20中的所有特性。有人认为C++20是C++11以来最大的一次改动，甚至比C++11还要大。

本文仅介绍C++20四大特性当中的module部分。全文分为三章：第一章探究C++编译连接模型的由来以及利弊、第二章介绍C++20 module机制的使用姿势、第三章总结module背后的机制、利弊、以及各大编译器的支持情况。

1，C++是兼容C的：不但兼容了C的语法，也兼容了C的编译链接模型
2，1973年初，C语言基本定型：有了预处理、支持结构体；编译模型也基本定型为：预处理、编译、汇编、链接四个步骤并沿用至今；1973年，K&R二人使用C语言重写了Unix内核。
3，为何要有预处理？为何要有头文件？
4，在C的诞生的年代，用来跑C编译器的计算机PDP-11的硬件配置如下：
内存：64 KiB
硬盘：512 KiB
编译器无法把较大的源码文件放入狭小的内存，故当时的C编译器设计目标是能够支持模块化编译（将源码分成多个源码文件，挨个编译）、生成多个目标文件，最后整合（链接）成一个可执行文件。
C编译器分别编译多个源码文件的过程，实际上是一个One pass compile，即：从头到尾扫描一遍源码、边扫描边生成目标文件、过眼即忘（以源码文件为单位）、后面的代码不会影响编译器前面的决策，该特性导致了C语言的以下特征：
A: 结构体必须先定义再使用：否则无法知道成员的类型以及偏移，无法生成目标代码
B: 局部变量先定义再使用，否则无法知道变量的类型以及在栈中的位置。且为了方便编译器管理栈空间，局部变量必须定义在语句块的开始处。
C: 外部变量，只需要知道类型、名字（二者合起来便是声明）即可使用（生成目标代码），外部变量的实际地址由连接器填写
D: 外部函数，只需知道函数名、返回值、参数类型列表（函数声明）即可生成调用函数的目标代码，函数的实际地址由连接器填写。
5 头文件和预处理恰好满足了上述要求：头文件只需用少量的代码，声明好函数原型、结构体等信息，编译时将头文件展开到实现文件中，编译器即可完美执行One pass comlile过程了。

至此，我们看到的都是头文件的必要性、益处，头文件也有很多负面影响：

1  低效。头文件的本职工作是提供前置声明，而提供前置声明的方式采用了文本拷贝，文本拷贝过程不带有语法分析，会一股脑将需要的、不需要的声明全部拷贝到源文件中。
2 传递性。最底层的头文件中宏、变量等实体的可见性，可以通过中间头文件“透传”给最上层的头文件，这种透传会带来很多麻烦。
3 降低编译速度。加入a.h被三个模块包含，则a会被展开3次、编译三次。
4 顺序相关。程序的行为受头文件的包含顺影响，也受是否包含某一个头文件影响，在C++中尤为严重（重载）
5 不确定性。同一个头文件在不同的源文件中可能表现出不同的行为。导致这些这些不同的原因，可能源自源文件（比如该源文件包含的其他头文件、该源文件中定义的宏等），也可能源自编译选项。
5 头文件天然的迫使程序员将声明与实现放在不同的文件，有利于践行“接口与实现分离”，但同时容易引发接口与实现不一致的情况。

C++20中，加入了module。我们先看module 的基本使用姿势，最后再总结module比header的优势。

(二)module的使用

填充内容

2.1 实现一个最简单的module

module_hello.cppm：定义一个完整的hello模块，并导出一个say_hello_to方法给外部使用。当前各编译器并未规定模块文件的后缀，本文统一使用".cppm"后缀名。".cppm"文件有一个专用名称"模块接口文件"，值得注意的是，该文件不光可以声明实体，也可定义实体。

//module_hello.cppm
export module hello;
import <iostream>;
import <string_view>;
void internal_helper(){//do something;
}
export void say_hello_to(const std::string_view& something){internal_helper();std::cout<<"Hello "<<something<<" !"<<std::endl;return;
}

main函数中可以直接使用hello模块：

//main.cpp
import hello;
import <string_view>;int main(){say_hello_to(std::string_view{"Netease"});internal_helper();//errorreturn 0;
}

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至此，我们看到的都是头文件的必要性、益处，头文件也有很多负面影响：

C++20中，加入了module。我们先看module 的基本使用姿势，最后再总结module比header的优势。

(二)module的使用

2.1 实现一个最简单的module

main函数中可以直接使用hello模块：

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