作者: 刘未鹏(pongba)
转自: C++的罗浮宫(http://blog.csdn.net/pongba)
首先，一个编译单元（translation unit）是指一个.cpp文件以及它所#include的所有.h文件，.h文件里的代码将会被扩展到包含它的.cpp文 件里，然后编译器编译该.cpp文件为一个.obj文 件（假定我们的平台是win32），后者拥有PE（Portable Executable，即windows可执行文件）文件格式，并且本身包 含的就已经是二进制码，但是不一定能够执行，因为并不保证其中一定有main函数。当编译器将一个工程里的所有.cpp文 件以分离的方式编译完毕后，再由连接器（linker）进行连接成为一个.exe文 件。
举个例子：
//---------------test.h-------------------//
void f();//这里声明一个函数f
//---------------test.cpp--------------//
#include”test.h”
void f()
{
…//do something
} //这里实现出test.h中声明的f函数
//---------------main.cpp--------------//
#include”test.h”
int main()
{
f(); //调用f，f具有外 部连接类型
}
在这个例子中，test. cpp和main.cpp各自被编译成不同的.obj文件（姑且命名为test.obj和main.obj），在main.cpp中，调用了f函数，然而当编译器编译main.cpp时，它所仅仅知道的只是main.cpp中所包含的test.h文件中的一个关于void f();的声明，所以，编译器将这里的f看作外 部连接类型，即认为它的函数实现代码在另一个.obj文件中，本例也就是test.obj，也就是说，main.obj中实际没有关于f函数的 哪怕一行二进制代码，而这些代码实际存在于test.cpp所编译成的test.obj中。在main.obj中对f的调用只会生成一行call指 令，像这样：
call f [C++中这个名字当然是经过mangling[处理]过的]
在编译时，这个call指 令显然是错误的，因为main.obj中并无一行f的实现 代码。那怎么办呢？这就是连接器的任务，连接器负责在其它的.obj中（本例为test.obj）寻找f的实现 代码，找到以后将call f这个指令的调用地址换成实际的f的函数进入点地址。需要注意的是：连接器实际上将工程里的.obj“连 接”成了一个.exe文件，而它最关键的任务就是上面说的，寻找一个外部连接符号在另 一个.obj中的地址，然后替换原来的“虚假”地址。
这个过程如果说的更深入就是：
call f这行指令其实并不是这样的，它实际上是所谓的stub，也就是一个jmp 0xABCDEF。这个地址可能是任意的，然而关键是这个地址上有一行指令来进行真正的call f动作。也就是说，这个.obj文 件里面所有对f的调用都jmp向同一个地址，在后者那儿才真正”call”f。这样做的好处就是连接器修改地址时只要对后者的call XXX地址作改动就行了。但是，连接器是如何找到f的实际 地址的呢（在本例中这处于test.obj中），因为.obj与.exe的 格式是一样的，在这样的文件中有一个符号导入表和符号导出表（import table和export table）其中将所有符号和它们的地址关联起来。这样连接器只要在test.obj的符号导出表中寻找符号f（当然C++对f作了mangling）的地址就行了，然后作一 些偏移量处理后（因为是将两个.obj文 件合并，当然地址会有一定的偏移，这个连接器清楚）写入main.obj中的符号导入表中f所占有的那一项即可。
这就是大概的过程。其中关键就是：
编译main.cpp时，编译器不知道f的实现，所以当碰到对它的调用时只是给出一个指示，指示连接器应 该为它寻找f的实现体。这也就是说main.obj中没有关于f的任何 一行二进制代码。
编译test.cpp时，编译器找到了f的实现。于是乎f的实现（二进制代码）出现在test.obj里。
连接时，连接器在test.obj中找到f的实现代码（二进制）的地址（通过符号导出表）。然后将main.obj中悬而未决的call XXX地址改成f实际的 地址。完成。
然而，对于模板，你知道， 模板函数的代码其实并不能直接编译成二进制代码，其中要有一个“实例化”的过 程。举个例子：
//----------main.cpp------//
template<class T>
void f(T t)
{}
int main()
{
…//do something
f(10); // call f<int> 编译器在 这里决定给f一个f<int>的实例
…//do other thing
}
也就是说，如果你在main.cpp文件中没有调用过f，f也就得不到实例化，从而main.obj中也就没有关于f的任意 一行二进制代码！如果你这样调用了：
f(10); // f<int>得以实例化出来
f(10.0); // f<double>得以实例化出来
这样main.obj中也就有了f<int>，f<double>两个函数的二进制代码段。以此类推。
然而实例化要求编译器知道模板的定义，不是吗？
看下面的例子（将模板的声明和实现分离）：
//-------------test.h----------------//
template<class T>
class A
{
public:
void f(); // 这里只是个声明
};
//---------------test.cpp-------------//
#include”test.h”
template<class T>
void A<T>::f() // 模板的实现
{
…//do something
}
//---------------main.cpp---------------//
#include”test.h”
int main()
{
A<int> a;
f(); // #1
}
编译器在#1处并 不知道A<int>::f的定义，因为它不在test.h里面，于是编译器只好寄希望于连接器，希望它能够在其他.obj里面找到A<int>::f的实例，在本例中就是test.obj，然而，后者中真有A<int>::f的二进制代码吗？NO！！！因为C++标 准明确表示，当一个模板不被用到的时侯它就不该被实例化出来，test.cpp中用到了A<int>::f了吗？没有！！所以实际上test.cpp编译出来的test.obj文件中关于A::f一 行二进制代码也没有，于是连接器就傻眼了，只好给出一个连接错误。但是，如果在test.cpp中写一个函数，其中调用A<int>::f，则编译器会将其实例化出来，因为在这个点上（test.cpp中），编译器知道模板的定义，所以能够实例化，于是，test.obj的符号导出表中就有了A<int>::f这个符号的地址，于是连接器就能够完成任务。
关键是：在分离式编译的环境下，编译器编译某一个.cpp文 件时并不知道另一个.cpp文件的存在，也不会去查找（当遇到未决符号时它会寄希望于连接器）。这种模式在没有模板的 情况下运行良好，但遇到模板时就傻眼了，因为模板仅在需要的时候才会实例化出来，所以，当编译器只看到模板的声明时，它不能实例化该模板，只能创建一个具 有外部连接的符号并期待连接器能够将符号的地址决议出来。然而当实现该模板的.cpp文件中没有用到模板的实例时，编译器懒得去实例化，所以，整个 工程的.obj中就找不到一行模板实例的二进制代码，于是连接器也黔驴技穷了。