为什么应该用模块取代C/C++中的头文件？

摘要：本文整理自Apple C++工程师Doug Gregor的演讲Slide，他表示希望使用模块（Module）这一概念替代C/C++中的头文件，现已被C++标准化委员会任命为Module研究组的，研究该提议的可能性。考虑到Apple的开源项目LLVM在编辑器领域中的地位，这一提议非常值得重视。

为什么应该使用模块（Module）替代头文件（Header）？

头文件糟透了！

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众所周知，C程序在编译时一般会预处理头文件：

常规解决办法如下：

LLVM_WHY_PREFIX_UPPER_MACROS
LLVM_CLANG_INCLUDE_GUARD_H
template<class_Tp>

const_Tp&min(const_Tp&__a,
const_Tp&__b);

#include<windows.h>
#undefmin//because#defineNOMINMAX
#undefmax//doesn’t

但结果依然不够理想，比较一下代码与程序大小你会发现：

另外，头文件形式的可扩展性天生不足。假设有n个源文件，每个源文件引用了m个头文件，那么构建过程的开销会是m×n。这在C++中表现得尤为糟糕。所以预说处理头文件是一个非常糟糕的解决方案。

C家族的模块系统

模块是什么？

• 库的接口（API）
• 库的实现

使用“import”导入已命名的模块：

import会在源文件中忽略预处理状态，并且选择性导入，所以弹性（resilience）非常好。

使用“import”会导入什么？

• 函数、变量、类型、模板、宏，等等；
• 公开API——其它的都隐藏；
• 没有特别的命名空间机制。

C/C++引入模块会怎么样？

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引入模块的目标在于：

• 在源文件中指定模块名称；
• API公开；
• 没有头文件！

要编写一个模块非常简单，只需要使用export：

但是这么做会遇到很多遗留问题：

• 需要迁移现在基于头文件的类库；
• 与不支持模块的编译器的互操作性；
• 工具需要理解模块；

所以应该使用引入模块的过渡方案——直接从头文件中构建模块。这么做有以下好处：

• 头文件有利于互操作；
• 程序员不需要完全改变自己习惯的开发模式；

模块地图（Module Map）

模块地图是模块的关键，用来定位模块相关（子）模块，包含以下功能：

• 模块定义命名（子）模块

  

• 头文件在（子）模块中包含命名头文件的内容

保护伞头文件（Umbrella Header）

• 保护伞头文件会在其目录下包含所有头文件信息
• 使用通配符submodules (module *) 可以为每一个包含的头文件创建一个子模块：

  AST/Decl.h->ClangAST.Decl
  AST/Expr.h->ClangAST.Expr

模块编译过程：

1. 找到命名模块的module map；
2. 产生一个独立编译器实例；
3. 在module map中解析头文件。

编辑模块文件过程：

1. 在“import”声明处导入模块文件；
2. 把模块文件保存在缓存中待重用。

从头文件到模块化

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从头文件编程转换到使用模块非常简单：

库方面：合并复合定义的结构、函数、宏，并且为头文件导入依赖，最后编写好模块地图；

开发者方面只需要从“#include”过渡到“import”：

1. 把“#inlude”都换成“import”；
2. 使用module maps确定（子）模块（类似头文件里的“#include”）；

当然，你也可以使用工具来自动化重写代码，非常简单。

工具

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编辑性能

使用模块能够提升语法解析性能：

• 模块化的头文件只需要解析一次，之后放在缓存中，于是m×n --> m+n
• 所有基于源（source-based）工具都能带来好处
• 自动链接大大简化了库的使用

  

• 自动导入可以阻止“#include”带来的可怕的调试结果

  

  

调试流

通过DWARF的双程调试有损耗：

• 只能获得“用过”类型和函数
• 丢失了行内函数、模板

另外调试过程还会出现信息冗余

那使用模块的调试又会怎样？

1.提高了构建性能

• 编译器发出的DWARF更少
• 链接器清除重复的DWARF也更少

2.提高了调试体验

• 调试器的ASF精度非常完美
• 调试器不需要寻找DWARF

总结

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总而言之，C/C++使用模块化非常有潜力：

• 编译/构建时间的缩短
• 修复各种预处理问题
• 更好的工具体验
• 通过设计，能够平稳地过渡
• Clang实现已经在进行了

这个Slide在Hacker News上引起了激烈讨论，大部分网友还是赞成模块化的方式：

baberman：对我来说没什么不便，而且还给出了过渡方案，可能会很适合某些C/C++项目。我们应该对任何提升C/C++性能的想法持开放态度。

greggman：预处理有什么不好吗？如果我不想用预处理，我完全可以使用Objective-C等。现在的机器性能已经够强大了，import在编译上的性能优势对我来说没有任何吸引力，我更喜欢C/C++的传统方式。

msbarnett反驳greggman：我认为这正是这份提议的精髓所在，你既可以保留使用#include，也可以从现在开始就转向import模块的方式。

_djo_：这个想法会非常有前途！要说缺点的话就是来得太迟了！

nkurz：我不同意“m个头文件+n个源文件 --> m×n倍编译性能”。只要使用“#ifndef _HEADER_H”就不会出现这个问题，或者，为什么不使用#include_once <header.h>来解决呢？预处理很可怕吗？预处理确实有一些问题，但是却是可以克服的。

SeoxyS：我不关心性能，现在性能已经不是问题了，我更关心怎样给开发者更少的负担。

各位CSDN网友是怎样看的呢？欢迎一起讨论。

相关链接：Doug的Slide、Hacker News上的讨论