【C++】Module CPP：模块化编程 Demo

一、C++20 模块简介

C++20 模块是 C++ 语言发展史上的重要革新，它从根本上改变了代码组织方式。相比传统的头文件（#include）机制，模块具有以下核心优势：

1. 隔离编译：模块独立编译，避免重复编译头文件
2. 符号控制：通过 export 精确控制导出内容
3. 消除污染：不会引入无关的宏定义和符号
4. 加快编译：生成预编译模块接口（BMI）提升编译速度
5. 强封装性：实现真正的逻辑单元封装

二、项目结构解析

cpp20-module-demo/
├── CMakeLists.txt           # 项目主配置
├── main.cpp                 # 入口文件
├── math/                    # 数学模块
│   ├── CMakeLists.txt       # 模块级配置
│   ├── math.cppm            # 模块接口声明
│   └── math_impl.cpp        # 模块具体实现
└── io/                      # IO模块（结构同上）

文件扩展名说明：.cppm 是模块接口单元的惯用扩展名，但并非强制要求

三、模块接口单元详解

1. 数学模块接口（math.cppm）

module;                            // 全局模块段开始
#include <iostream>                // 必须在此包含标准库头文件

export module math;                // 声明并导出模块

export int add(int a, int b);      // 导出函数声明
export int multiply(int a, int b); // 另一个导出函数

关键要素解析：

• module; 开启全局模块段，用于包含传统头文件
• export module 声明模块并导出接口
• export 关键字控制导出的符号

2. IO模块接口（io.cppm）

module;
#include <iostream>  // 标准库必须前置包含

export module io;

export void print_result(const char* label, int value);

重要规则：

• 所有标准库头文件必须在全局模块段包含
• 接口文件中只能包含不会产生冲突的头文件
• 导出的函数必须显式声明返回类型

四、模块实现单元详解

1. 数学模块实现（math_impl.cpp）

module math;  // 指定所属模块

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

2. IO模块实现（io_impl.cpp）

module;                  // 开启全局模块段
#include <iostream>      // 实现中使用标准库也需要前置包含

module io;               // 指定所属模块

void print_result(const char* label, int value) {
    std::cout << label << value << std::endl;
}

实现单元要点：

• 不需要 export 关键字
• 若实现中用到标准库，仍需在全局模块段包含
• 实现文件与接口文件通过 module 模块名 建立关联

五、主程序模块导入

import math;  // 导入数学模块
import io;    // 导入IO模块

int main() {
    int sum = add(3, 4);       // 使用模块导出函数
    int product = multiply(3, 4);
    print_result("Sum:    ", sum);
    print_result("Product:", product);
    return 0;
}

导入机制特点：

• import 取代传统 #include
• 只能访问模块导出的符号
• 导入顺序无关紧要

六、CMake 配置解析

1. 顶层配置（CMakeLists.txt）

cmake_minimum_required(VERSION 3.28)
project(cpp20_module_demo LANGUAGES CXX)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
set(CMAKE_CXX_EXTENSIONS OFF)

# 强制使用支持模块的生成器
if (NOT CMAKE_GENERATOR MATCHES "Ninja" AND NOT MSVC)
    message(FATAL_ERROR "请使用 Ninja 或 MSVC 构建系统")
endif()

add_subdirectory(math)
add_subdirectory(io)

add_executable(cpp20-module-demo main.cpp)
target_link_libraries(cpp20-module-demo PRIVATE math_mod io_mod)

关键配置：

• 要求 CMake 3.28+ 以获得完整模块支持
• 必须使用 Ninja 或 MSVC 生成器
• 通过 target_link_libraries 隐式传递模块依赖

2. 模块级配置（math/CMakeLists.txt）

add_library(math_mod)

target_sources(math_mod
    PUBLIC
        FILE_SET cxx_modules TYPE CXX_MODULES FILES math.cppm
    PRIVATE
        math_impl.cpp
)

set_target_properties(math_mod PROPERTIES
    CXX_STANDARD 20
    CXX_EXTENSIONS OFF
)

模块构建要点：

• FILE_SET cxx_modules 声明模块接口文件
• 接口文件放在 PUBLIC 作用域
• 实现文件放在 PRIVATE 作用域
• 必须显式设置 C++20 标准

3. 模块级配置（io/CMakeLists.txt）

add_library(io_mod)

target_sources(io_mod
    PUBLIC
        FILE_SET cxx_modules TYPE CXX_MODULES FILES io.cppm
    PRIVATE
        io_impl.cpp
)

set_target_properties(io_mod PROPERTIES
    CXX_STANDARD 20
    CXX_EXTENSIONS OFF
)

七、构建与运行指南

1. 生成构建系统（使用 Ninja）：

mkdir build
cd build
cmake -G Ninja ..

2. 编译项目：

cmake --build .

3. 运行程序：

./cpp20-module-demo

预期输出：

Sum:    7
Product:12

八、重要注意事项

1. 头文件包含规则：

   • 所有 #include 必须位于全局模块段
   • 模块单元中禁止包含可能产生冲突的头文件

2. 模块实现单元：

   • 必须严格对应接口单元命名
   • 同一模块可以有多个实现单元
   • 实现单元之间不可见彼此的非导出符号

3. 构建系统限制：

   • 目前只有 MSVC 和 Clang 提供完整支持
   • GCC 的模块实现仍在开发中
   • CMake 需要 3.28+ 版本

4. 符号可见性：

   • 未导出的符号具有模块内部链接性
   • 不同模块的同名符号不会冲突