Bibliotecas apenas de cabeçalho versus compiladas

As bibliotecas C++ vêm em dois formatos:

• Somente cabeçalho — a implementação fica nos cabeçalhos; o consumidor compila tudo
• Compilada — arquivos-fonte separados são compilados em uma biblioteca estática ou compartilhada

Pontos fortes:

• Integração trivial — basta copiar e incluir
• Nenhuma configuração de compilação
• Funciona entre compiladores e padrões
• O compilador pode fazer muitas expansões inline

Pontos fracos:

• Tempos de compilação lentos — cada consumidor recompila tudo
• A ABI é determinada pelo que o consumidor usa para compilar
• A implementação fica visível para todos os consumidores
• Aumenta o tamanho do binário quando muitas unidades de tradução usam os mesmos modelos

Muitas bibliotecas populares usam somente cabeçalhos:

• nlohmann/json
• spdlog (modo somente de cabeçalho)
• cxxopts
• Catch2 (variante somente de cabeçalho)

Pontos fortes:

• Tempos de compilação rápidos para os consumidores
• Detalhes da implementação ocultos
• Uma única instanciação dos modelos
• Pode ser distribuída como binário (sem revelar o código-fonte)

Pontos fracos:

• A compatibilidade da ABI é frágil
• A configuração de compilação deve coincidir entre a biblioteca e o consumidor
• A ligação estática aumenta os binários; a ligação dinâmica requer carregamento em tempo de execução

Duas formas compiladas:

• Estática (.a, .lib) — vinculada ao executável durante a compilação
• Compartilhada (.so, .dll, .dylib) — carregada em tempo de execução

Os modelos dificultam a distribuição que não seja somente por cabeçalhos — o código genérico é instanciado para cada consumidor. Algumas bibliotecas fornecem um núcleo "sem modelos" em um arquivo .a compilado e cabeçalhos para modelos pequenos.

Algumas bibliotecas oferecem as duas opções — modo de cabeçalho único para uso rápido e modo com vários arquivos para compilações mais rápidas.

Se sua biblioteca somente de cabeçalho for grande, os cabeçalhos pré-compilados (PCH) podem acelerar significativamente as compilações dos consumidores.

Os módulos do C++20 prometem substituir os cabeçalhos — melhor encapsulamento, compilações mais rápidas e menor dependência do pré-processador. A adoção é gradual devido ao suporte dos compiladores e das ferramentas.

Guia rápido:

• Bibliotecas utilitárias pequenas → somente cabeçalho
• Bibliotecas grandes com implementação significativa → compilada
• Bibliotecas com muitos modelos → somente cabeçalho ou híbrida

Qual é a maior desvantagem das bibliotecas somente de cabeçalho para os consumidores?

Bibliotecas somente de cabeçalho são fáceis de integrar, mas tornam as compilações dos consumidores mais lentas. Bibliotecas compiladas são mais rápidas de usar, mas mais difíceis de distribuir. Os modelos favorecem a abordagem somente de cabeçalho; implementações grandes favorecem a compilada. Os módulos do C++20 podem substituir os cabeçalhos no futuro.