C++20 Modules

最近看了兩篇關於 C++ 20 Modules 頗有意思的文章，戳：

《Understanding C++ Modules: Part 1: Hello Modules, and Module Units》

《Understanding C++ Modules: Part 2: export, import, visible, and reachable》

衆所周知，C++靠預處理器處理頭文件的方法被詬病已久。在 C++17 Module TS 後，標準委員會的 dalao 們終於在 C++20 把 Modules 併入標準= =。（此處應該有掌聲？

那麼咱們要怎麼建立一個 Module 呢？標準引入了新的關鍵字 import、module，並使用保留關鍵字 export 來導入、定義和導出 Module。

// hello_world.cpp
export module demos.hello.world;

export auto get_text()
{
  return "Hello C++ Modules!";
}

// main.cpp
import demos.hello.world;
import <iostream>;

int main()
{
  std::cout << get_text() << std::endl;
}

這是一個 C++20 Modules 版的 Hello World。注意 export module xxx.yyy.zzz 是一個 Module 的導出定義，函數 get_text 加上 export 就成爲 Module 的導出符號。

Module 的名字能夠是 aaa.bbb.ccc.ddd 這樣的，此處借鑑了其餘語言的命名規範，提高了可讀性。

根據標準，每一個 Module 都是一個 TU（Translation Unit） ，這樣就能夠在構建時獲得更好的 Cache 編譯的效果，縮短編譯時間。

最後說下 import <iostream> 這樣的用法。這是爲了兼容之前老的頭文件的寫法，意思是把一個頭文件看成一個獨立的 TU 來編譯，而且避免了命名空間污染和主文件中符號的影響。

-------------華麗分割線1--------------

一些語言，如 C# 有 partial class 的語法，能夠把一個完整的 class 拆分爲多個文件，最後合併編譯。C++ Modules 提供了一個特性叫 Module Partition，能夠把 Module 拆分在多個 .cpp 文件中定義。

在標準中，使用 Module 名稱 + 冒號 + Partition 名稱 的方式來定義一個 Module Partition。

// home.cpp
export module home;
export import :father;
export import :mother;

// home_father.cpp
export module home:father;

export auto get_father_name()
{
  return "Xiaoming";
}

// home_mother.cpp
export module home:mother;

export auto get_mother_name()
{
  return "Xiaohong";
}

// main.cpp
import home;

int main()
{
  auto father = get_father_name();
  auto mother = get_mother_name();
}

這樣 father 和 mother 就成爲 Module home 的兩個 Partition。吐槽一下 export import :xxx 這種語法，它的意思是把 Partition 先 import 進來再 re-export 出去，讓用戶可見。

這裏多了一個概念：Module Interface Unit。很 Simple，對於一個 .cpp 文件，若是是 export module xxx 這樣的，就是一個 Module Interface Unit，意思是導出接口單元。

好比上面的 home.cpp, home_father.cpp 和 home_mother.cpp 都是 Module Interface Unit。

-------------華麗分割線2--------------

除了 Module Interface Unit，還有一個對應的東西叫 Module Implementation Unit ，模塊實現單元。

一樣很 Easy，若是一個 .cpp 文件中定義的是 module xxx，注意前面沒有 export ，那麼它就是一個 Module Implementation Unit。

// animal.cpp
export module animal;
import :dogs;
import :cats;

export auto get_cat_name();
export auto get_dog_name();

// animal_cats.cpp
module animal:cats;

// "export" is not allowed here.
auto get_cat_name()
{
  return "狗·德川家康·薛定鄂·保留";
}

// animal_dogs.cpp
module animal:dogs;

// "export" is not allowed here.
auto get_dog_name()
{
  return "DOGE";
}

// main.cpp
import animal;

int main()
{
  auto cat_name = get_cat_name();
  auto dog_name = get_dog_name();
}

Partition cats 和 dogs 就是兩個 Module Implementation Unit ，而 animal.cpp 是一個 Module Interface Unit。

注意 Implementation Unit 裏面不容許有 export 出現，且須要在 Interface Unit 中 import 對應的 Partition。

想偷懶？同志好想法，還有種不須要 Partition 的簡化寫法。

// animal.cpp
export module animal;

export auto get_cat_name();
export auto get_dog_name();

// animal_impl.cpp
module animal;

auto get_cat_name()
{
  return "狗·德川家康·薛定鄂·保留";
}

auto get_dog_name()
{
  return "DOGE";
}

是否是感受似曾相識？這個和目前的老式頭文件聲明和定義分離的用法一模一樣。

animal_impl.cpp 定義的仍是叫 Module Implementation Unit ，animal.cpp 叫 Module Interface Unit 。

WHY？ 既然能夠寫在一塊兒，爲何要分離呢。一個是知足代碼習慣，還有一個就是若是頻繁修改實現，能夠不動接口，提升增量編譯速度~

-------------華麗分割線3--------------

考慮到程序員編碼的方便性，標準規定了五花八門的 export 語法。以下所示，咱們來欣賞一下。

// Export everything within the block.
export
{
  int some_number = 123;
  
  class foo
  {
  public:
    void invoke() { }
  private:
    int count_ = 0;
  };
}

// Export namespace.
export namespace demo::test
{
  struct tips
  {
    int abc;
  }
  
  void free_func() { }
}

// Export a free function.
export void here_is_a_function() { }

// Export a global variable.
export int global_var = 123;

// Export a class.
export class test
{
  
};

下面幾種是非法的 export 寫法，是沒法編譯的。

// Anonymous namespace cannot be exported.
export namespace
{
  
}

// Cannot export static variables.
export static int static_variable = 123;

// Cannot export static functions.
export static void foo()
{
  
}

// OK, export a namespace.
export namespace test
{
  // Error, cannot define static members in an exported namespace.
  static int mine = 123;
  
  // Error, as mentioned above.
  static void geek() { }
}

-------------華麗分割線4--------------

文中還介紹了其餘的一些坑，好比 Implementation Unit Beast 、Reachability & Visibility 巴拉巴拉，你們能夠參考上面兩篇文章……

我的以爲 Modules 做爲重量級特性，仍是給 C++ 帶來了革新。引用一句某老外的說法：「Make CPP great again!」。

期待編譯器這邊的實現和新的構建系統（Build System）及可能的包管理工具（Tooling & Package Manager），貌似一直在推動。

------- Over -------