Header-only- vs. kompilierte Bibliotheken

C++-Bibliotheken gibt es in zwei Varianten:

• Header-only — die Implementierung befindet sich in Headern; der Consumer kompiliert alles
• Kompiliert — separate Quelldateien werden zu einer statischen oder gemeinsam genutzten Bibliothek kompiliert

Stärken:

• Einfach zu integrieren — kopieren und einbinden
• Keine Build-Konfiguration erforderlich
• Funktioniert mit verschiedenen Compilern und Standards
• Der Compiler kann aggressiv inline optimieren

Schwächen:

• Langsame Kompilierzeiten — jeder Consumer erstellt alles erneut
• Die ABI hängt davon ab, womit der Consumer kompiliert
• Die Implementierung ist für alle Consumer sichtbar
• Die Binärgröße steigt, wenn viele TUs dieselben Templates verwenden

Viele beliebte Bibliotheken sind Header-only:

• nlohmann/json
• spdlog (im Header-only-Modus)
• cxxopts
• Catch2 (Header-only-Variante)

Stärken:

• Schnelle Kompilierzeiten für Consumer
• Implementierungsdetails bleiben verborgen
• Templates werden nur einmal instanziiert
• Kann als Binärdatei ausgeliefert werden (keine Offenlegung des Quellcodes)

Schwächen:

• ABI-Kompatibilität ist fragil
• Die Build-Konfiguration muss zwischen Bibliothek und Consumer übereinstimmen
• Statisches Linken vergrößert Binärdateien; dynamisches Linken erfordert das Laden zur Laufzeit

Zwei kompilierte Varianten:

• Statisch (.a, .lib) — wird beim Build mit der ausführbaren Datei verknüpft
• Gemeinsam genutzt (.so, .dll, .dylib) — wird zur Laufzeit geladen

Templates eignen sich schlecht für eine Distribution ohne Header-only-Anteil — generischer Code wird für jeden Consumer instanziiert. Einige Bibliotheken stellen einen „nicht templatisierten“ Kern in einer kompilierten .a-Datei und Header für schlanke Templates bereit.

Einige Bibliotheken unterstützen beides — einen Single-Header-Modus für die schnelle Verwendung und einen Modus mit mehreren Dateien für schnellere Builds.

Wenn Ihre Header-only-Bibliothek umfangreich ist, können vorkompilierte Header (PCH) die Builds der Consumer deutlich beschleunigen.

C++20-Module sollen Header ersetzen — mit besserer Kapselung, schnelleren Builds und geringerer Abhängigkeit vom Präprozessor. Die Einführung erfolgt schrittweise, da Compiler- und Tool-Unterstützung noch nicht vollständig ist.

Kurze Orientierung:

• Kleine Utility-Bibliotheken → Header-only
• Große Bibliotheken mit umfangreicher Implementierung → kompiliert
• Stark templatisierte Bibliotheken → Header-only oder hybrid

Was ist der größte Nachteil von Header-only-Bibliotheken für Consumer?

Header-only-Bibliotheken sind einfach zu integrieren, verlangsamen aber die Builds der Consumer. Kompilierte Bibliotheken lassen sich schneller verwenden, sind jedoch schwieriger zu verteilen. Templates sprechen für Header-only, umfangreiche Implementierungen für kompilierte Bibliotheken. C++20-Module könnten Header in Zukunft ersetzen.