Библиотеки только из заголовков и скомпилированные библиотеки

Библиотеки C++ бывают двух типов:

• Только заголовочные — реализация находится в заголовках; потребитель компилирует всё целиком
• Скомпилированные — отдельные исходные файлы компилируются в статическую или динамическую библиотеку

Преимущества:

• Простая интеграция — скопируйте и подключите
• Не требуется конфигурация сборки
• Работают с разными компиляторами и стандартами
• Компилятор может активно встраивать функции

Недостатки:

• Медленная компиляция — каждый потребитель заново собирает всё целиком
• ABI определяется параметрами компиляции потребителя
• Реализация видна всем потребителям
• Размер двоичного файла увеличивается, если многие единицы трансляции используют одни и те же шаблоны

Многие популярные библиотеки состоят только из заголовков:

• nlohmann/json
• spdlog (режим только заголовков)
• cxxopts
• Catch2 (вариант только с заголовками)

Преимущества:

• Быстрая компиляция для потребителей
• Детали реализации скрыты
• Шаблоны создаются в одном экземпляре
• Библиотеку можно поставлять в виде двоичного файла, не раскрывая исходный код

Недостатки:

• Совместимость ABI хрупкая
• Конфигурация сборки библиотеки и потребителя должна совпадать
• Статическая компоновка увеличивает размер двоичных файлов; динамическая компоновка требует загрузки во время выполнения

Две формы скомпилированных библиотек:

• Статическая (.a, .lib) — подключается к исполняемому файлу во время сборки
• Динамическая (.so, .dll, .dylib) — загружается во время выполнения

Шаблоны затрудняют распространение библиотек не только в виде заголовков: универсальный код создаётся отдельно для каждого потребителя. Некоторые библиотеки предоставляют ядро «без шаблонов» в скомпилированном файле .a и заголовки для тонких шаблонов.

Некоторые библиотеки поддерживают оба варианта: режим одного заголовка для быстрого использования и режим нескольких файлов для ускорения сборки.

Если ваша библиотека, состоящая только из заголовков, велика, предварительно скомпилированные заголовки (PCH) могут значительно ускорить сборку у потребителей.

Модули C++20 обещают заменить заголовки: улучшить инкапсуляцию, ускорить сборку и уменьшить зависимость от препроцессора. Переход происходит постепенно из-за ограниченной поддержки со стороны компиляторов и инструментов.

Краткое руководство:

• Небольшие библиотеки вспомогательных средств → только заголовки
• Большие библиотеки со значительным объёмом реализации → скомпилированные
• Библиотеки с большим количеством шаблонов → только заголовки или гибридный вариант

Каков главный недостаток только заголовочных библиотек для потребителей?

Библиотеки, состоящие только из заголовков, легко интегрировать, но сборка у потребителей занимает больше времени. Скомпилированные библиотеки быстрее использовать, но сложнее распространять. Шаблоны лучше подходят для библиотек, состоящих только из заголовков, а крупные реализации — для скомпилированных библиотек. В будущем модули C++20 могут заменить заголовки.