Biblioteki tylko nagłówkowe a kompilowane

Biblioteki C++ występują w dwóch odmianach:

• tylko nagłówkowe — implementacja znajduje się w nagłówkach; konsument kompiluje całość
• kompilowane — osobne pliki źródłowe są kompilowane do biblioteki statycznej lub współdzielonej

Zalety:

• trywa integracja — wystarczy skopiować i dołączyć
• brak konfiguracji procesu budowania
• działanie z różnymi kompilatorami i standardami
• kompilator może agresywnie stosować rozwijanie funkcji

Wady:

• długi czas kompilacji — każdy konsument ponownie buduje całość
• ABI zależy od konfiguracji, z którą kompiluje konsument
• implementacja jest widoczna dla wszystkich konsumentów
• zwiększenie rozmiaru pliku binarnego, jeśli wiele jednostek translacji korzysta z tych samych szablonów

Wiele popularnych bibliotek jest dostępnych wyłącznie w postaci nagłówkowej:

• nlohmann/json
• spdlog (tryb tylko nagłówkowy)
• cxxopts
• Catch2 (wariant tylko nagłówkowy)

Zalety:

• krótki czas kompilacji po stronie konsumentów
• ukryte szczegóły implementacji
• pojedyncze tworzenie instancji szablonów
• możliwość dostarczania w postaci pliku binarnego (bez ujawniania źródeł)

Wady:

• zgodność ABI jest delikatna
• konfiguracja procesu budowania biblioteki i konsumenta musi być zgodna
• linkowanie statyczne powiększa pliki binarne; linkowanie dynamiczne wymaga ładowania w czasie wykonywania

Dwie postacie bibliotek kompilowanych:

• statyczne (.a, .lib) — dołączane do pliku wykonywalnego podczas budowania
• współdzielone (.so, .dll, .dylib) — ładowane w czasie wykonywania

Szablony utrudniają dystrybucję w postaci innej niż tylko nagłówkowa — kod ogólny jest tworzony w instancjach osobno dla każdego konsumenta. Niektóre biblioteki udostępniają „nietemplatowany” rdzeń w skompilowanym pliku .a oraz nagłówki zawierające cienkie warstwy szablonów.

Niektóre biblioteki obsługują oba warianty — tryb z jednym nagłówkiem do szybkiego użycia oraz tryb wieloplikowy zapewniający szybsze budowanie.

Jeśli biblioteka tylko nagłówkowa jest duża, nagłówki prekompilowane (PCH) mogą znacznie przyspieszyć budowanie po stronie konsumentów.

Moduły C++20 mają zastąpić nagłówki, zapewniając lepszą hermetyzację, szybsze budowanie i mniejszą zależność od preprocesora. Ich wdrażanie przebiega stopniowo ze względu na obsługę kompilatorów i narzędzi.

Szybki przewodnik:

• małe biblioteki narzędziowe → tylko nagłówki
• duże biblioteki ze znaczącą implementacją → biblioteka kompilowana
• biblioteki intensywnie korzystające z szablonów → tylko nagłówki lub podejście hybrydowe

Jaka jest największa wada bibliotek tylko nagłówkowych z punktu widzenia konsumentów?

Biblioteki tylko nagłówkowe łatwo integrować, ale spowalniają budowanie po stronie konsumentów. Biblioteki kompilowane są szybsze w użyciu, lecz trudniejsze w dystrybucji. Szablony sprzyjają bibliotekom tylko nagłówkowym, a duże implementacje — kompilowanym. Moduły C++20 mogą w przyszłości zastąpić nagłówki.