C++20 模块化（Modules）

C++20 引入的模块化（Modules）是一个重大改进，旨在取代传统的头文件机制，提高编译速度、代码可维护性以及项目的可扩展性。模块化为 C++ 提供了一种更现代化的代码组织方式，避免了头文件中常见的宏污染、重复编译和复杂的依赖管理问题。

概念与背景

在 C++20 之前，C++ 项目是通过头文件（.h 或 .hpp）与源文件（.cpp）的组合来组织代码的。头文件定义了类、函数、模板等声明，而源文件包含它们的实现。然而，头文件机制存在多个问题：

• 重复编译：每次编译器遇到 #include 指令时，都会重新处理整个头文件。
• 编译时间长：大型项目中，成千上万的头文件包含会导致严重的编译性能问题。
• 符号冲突：头文件中的宏可能会与其他代码发生冲突，产生难以调试的错误。

模块化解决了这些问题，提供了更清晰的代码分隔、减少重复编译并减少符号冲突的风险。

模块的基本概念

1. 什么是模块？

模块是一个新的 C++ 编译单元，它由一个或多个模块文件组成，定义了导出（export）或隐藏的声明。模块打破了传统的头文件/源文件模式，允许开发者显式地控制哪些声明可以被外部使用。

模块的特点：

• 明确的接口和实现：模块可以显式导出哪些部分是公共接口，哪些部分是私有实现。
• 无宏污染：模块之间的依赖不会通过宏或预处理器泄漏。
• 增量编译：模块化加快了增量编译的速度，减少了重复解析。

2. 模块文件结构

模块主要包括两种文件：

• 模块接口文件（Module Interface File）：包含导出给其他模块或翻译单元使用的声明。通常使用 .cppm 扩展名。
• 模块实现文件（Module Implementation File）：包含模块内部实现，通常以 .cpp 形式存在。

模块的语法和使用

1. 创建一个模块

模块通过 module 关键字定义模块名称。模块接口文件通常是 .cppm 文件，但这不是强制的。

// math.cppm - 模块接口文件
export module math;

export int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

• export module 定义了模块的名称 math。
• export 关键字用于导出 add 函数，使其可供其他模块或翻译单元使用。

2. 使用模块

模块通过 import 关键字来导入，而不是像传统头文件那样使用 #include。

// main.cpp - 使用 math 模块
import math;

int main() {
    int result = add(2, 3);
    return 0;
}

与头文件不同，import 语句会将模块编译为二进制形式，避免了重复编译带来的性能损失。

3. 模块中的隐藏实现

模块允许将某些实现隐藏，而不导出给外部使用。只有 export 导出的内容才能被其他模块或翻译单元访问。

// math.cppm
export module math;

export int add(int a, int b);  // 导出的函数声明

int multiply(int a, int b) {   // 私有函数，不导出
    return a * b;
}

export int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

在这个例子中，add 函数是导出的，而 multiply 函数则是私有的，只能在模块内部使用。

模块化的更多细节

1. 模块分区（Module Partitioning）

C++20 允许将模块分成多个子模块，称为模块分区（Module Partitions）。模块分区帮助大型模块进行更细粒度的代码组织。

// math.cppm - 模块接口文件
export module math;
export import :operations;  // 导入子模块

export int add(int a, int b);

// operations.cppm - 模块分区文件
module math:operations;

int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

在这个例子中，模块 math 分为两个部分，主模块和 operations 子模块。主模块导入了子模块并公开了它的接口。

2. 模块与传统代码的混合使用

模块化的引入并不意味着完全抛弃传统的头文件机制。在模块化过渡期，模块与头文件可以共存。模块化代码仍然可以包含头文件，并与 #include 共用。

// math.cppm
export module math;
#include <iostream>  // 模块中仍可以使用头文件

export void print_message() {
    std::cout << "Hello from module" << std::endl;
}

3. 模块的依赖管理

模块通过 import 显式管理依赖关系，而不是隐式地通过 #include 传播依赖。这种显式依赖管理使得模块的依赖关系更加清晰，并且减少了不必要的编译。

// math.cppm
export module math;
import <iostream>;  // 导入标准库模块

export void print_message() {
    std::cout << "Message from math module" << std::endl;
}

4. 标准库模块化

C++20 模块化支持标准库模块。例如，标准库可以通过 import <iostream> 的形式来使用。

import <iostream>;

int main() {
    std::cout << "Hello, Modules!" << std::endl;
}