C++类模板作为函数参数或成员未使用其成员是否会被实例化

核心前提规则 #

C++ 类模板的实例化遵循按需分层、最小实例化原则，显式实例化声明（extern template）会阻止当前翻译单元生成对应特化的任何隐式实例化代码，相关定义将交由其他翻译单元提供，链接阶段统一寻址。
其中类模板的实例化分为两个层级：

1. 类布局实例化：仅需要确认类的大小、内存布局，不需要用到任何成员函数时触发，不会实例化任何类成员函数
2. 成员函数实例化：只有当成员函数被实际调用、或需要其定义存在时才会单独触发

疑问逐一解答 #

1. 为什么只有显式实例化声明没有定义，程序仍然编译通过？
   你添加的extern template struct Pow<int>;已经告知编译器：Pow<int>的实例化定义不在当前翻译单元，无需在此处生成。且你的代码全程没有需要用到Pow<int>成员函数定义的场景，编译器仅需要从前面的模板声明中计算出Pow<int>的大小即可满足当前编译需求，自然不会报缺失定义错误。

2. 为什么函数定义的参数用了Pow<int>，也没有要求Pow<int>的定义？
   你此前的认知有误：函数定义的参数为模板类型时，仅需要该模板类型是完整类型（即可以确认大小、布局），不需要用到该类型的成员函数，仅会触发类布局层级的实例化，不会要求生成完整的模板实例化定义。加了extern template后，连当前翻译单元的类布局实例化都会被阻止，编译器只要能从模板定义推导大小即可，不会要求你提供Pow<int>的实例化定义。

3. 取消注释后编译失败，是否说明仅作为参数类型、类成员类型时不会触发实例化？
   是的。

• 作为函数参数类型时，仅需要确认Pow<int>的大小，不会用到其成员函数，不会触发成员函数实例化
• 作为类成员类型时，Pow<int> pi{}是聚合初始化，Pow没有自定义构造函数，只需要分配对应大小的内存即可，也不会触发任何成员函数实例化
  取消注释后调用了operator()，此时需要该成员函数的定义存在，而extern template阻止了当前翻译单元生成该函数的实例化代码，你又没有在其他翻译单元提供显式实例化定义，链接时就会找不到符号导致失败。

4. 三个场景的实例化规则：

• void f(Pow<int>);：仅为函数声明，只需要Pow<int>是已声明的类型即可，不需要其为完整类型，不会触发任何实例化
• void f2(Pow<int>){}：函数定义，值参数需要确认Pow<int>的大小，仅会触发Pow<int>的类布局层级隐式实例化，不会实例化任何成员函数；如果加了extern template，该实例化也会被阻止，不会要求提供实例化定义
• void f3(Pow<int> Pwi){ std::cout << Pwi(10);}：调用了operator()成员函数，除了类布局实例化外，会触发operator()成员函数的实例化；如果加了extern template，当前翻译单元不会生成该函数的定义，链接时需要其他翻译单元提供Pow<int>的显式实例化定义，否则会报错。

5. 定义Foo f;时会不会触发Pow<int>的实例化？
   定义Foo对象时需要确认Foo的整体大小，所以需要确认成员Pow<int> pi的大小，会触发Pow<int>的类布局层级隐式实例化，但因为没有用到Pow<int>的任何成员函数，所以不会实例化任何成员函数。如果加了extern template，该类布局实例化也会被阻止，编译器仅需要从模板定义推导Pow<int>的大小即可。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Itachi Uchiwa