# C++20 模块化编程入门

作者

在 C++20 之后，模块（Modules）已经正式成为标准的一部分。它通过将传统的预处理器头文件机制替换为更安全、更高效的编译单元，彻底改变了 C++ 的构建方式。本文将从概念、使用方法、示例代码以及常见坑点四个角度，帮助你快速上手 C++20 模块。

1. 模块的核心概念

术语 解释
模块单元 一个完整的模块的源文件，通常使用 .cppm 或 .ixx 后缀。
导出 通过 export module 声明模块名，并用 export 关键字公开符号。
导入 使用 import 模块名; 引入模块，所有被导出的符号可直接使用。
模块图 编译器构建的模块依赖图，决定了编译顺序和重复编译的最小化。

相比头文件，模块：

  • 避免多重定义：编译器只编译一次模块。
  • 提升编译速度：只需编译一次模块，后续导入无需重新编译。
  • 提升类型安全：编译时就能检查接口，减少宏、头文件错误。

2. 基本使用步骤

  1. 编写模块单元 

    // math.ixx
export module math;          // 模块名
export namespace math {
    export int add(int a, int b) { return a + b; }
}

    export 关键字可放在 module 声明后，也可放在函数、类前。所有 export 标记的符号会被导出。

  2. 编译模块 

    # g++ (>=10) 示例
g++ -std=c++20 -fmodules-ts -c math.ixx -o math.o
# clang++ (>=14) 示例
clang++ -std=c++20 -fmodules-ts -c math.ixx -o math.o

    编译器会生成 .pcm 文件（模块接口缓存）。

  3. 在其他文件中导入 

    // main.cpp
import math;
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "3 + 5 = " << math::add(3, 5) << '\n';
    return 0;
}

  4. 链接 

    g++ -std=c++20 -fmodules-ts main.cpp math.o -o app

3. 进阶特性

3.1 隐式导入

如果你在同一编译单元中使用 module 声明，那么该单元默认导入自身的模块。示例：

// foo.ixx
export module foo;
export void bar();
// test.cpp
import foo;        // 必须显式导入
bar();             // 成功调用 foo::bar

3.2 模块分区（Partition）

模块分区可以将大型模块拆分成多个文件，只在编译时统一合并。

// math.part1.ixx
export module math:part1;
export int add(int a, int b);

// math.part2.ixx
export module math:part2;
export int mul(int a, int b);

// math.full.ixx
export module math;
import math:part1;
import math:part2;

编译时只需编译 math.full.ixx，其他分区会被自动引用。

3.3 内联模块（Inline Modules）

内联模块允许在编译单元中直接写模块代码，而不生成单独的文件。常用于单文件项目或测试。

export module inline_math;
export int sub(int a, int b) { return a - b; }

4. 常见坑点与解决方案

错误 原因 解决办法
编译报错 error: 'module' is not supported by this language 使用的编译器或编译选项不支持模块。 1. 确认使用 g++ >= 10 或 clang++ >= 14；2. 加 -fmodules-ts。
链接错误 undefined reference to 'math::add' 未正确编译模块单元或链接缺失。 检查编译命令，确认 math.o 已被链接。
头文件与模块冲突 传统 #include 方式与模块混用导致符号重复。 建议统一使用模块；若必须混用，确保头文件不包含被模块导出的符号。
模块缓存失效 代码变动后旧 .pcm 缓存仍被使用。 删除 .pcm，或使用 -fno-modules-cache 选项强制重新生成。

5. 与传统头文件的对比

特性 头文件 模块
多重编译 需要 #pragma once 或 include guards 自动防止
编译速度 每个编译单元重复编译相同头文件 只编译一次
作用域 全局 模块内隔离，接口公开/私有
依赖图 难以构建 自动生成

6. 小结

  • 模块是 C++20 的一大进步，能显著提升编译效率与代码安全。
  • 通过 export module、export 关键字、import 语句实现模块化编程。
  • 注意编译器支持、模块缓存以及与头文件的兼容性。
  • 随着编译器不断完善，模块化将成为主流开发方式。

实战建议：在新项目中，先把核心库拆分成模块，再逐步引入，观察编译速度提升与错误减少的显著差异。祝你编码愉快！

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