C++20 Modules

Modules 是 C++20 对传统头文件机制的革命性替代，解决了编译速度慢、宏污染、符号重复定义等历史遗留问题。

头文件的问题

// 传统头文件的痛点：
// 1. 每个翻译单元都要重新解析头文件（编译慢）
// 2. 宏会泄漏到包含者的命名空间
// 3. 顺序依赖（include 顺序影响行为）
// 4. 符号重复定义（需要 include guard）
// 5. 隐式依赖（通过间接 include 获得符号）

// math.h 可能定义了宏 min/max，污染你的代码
#include <windows.h>  // 定义了 min/max 宏
#include <algorithm>  // std::min/max 被宏破坏！

基本模块语法

// === math.cppm（模块实现文件）===
export module math;  // 声明模块名

// 导出函数
export int add(int a, int b) { return a + b; }
export double sqrt_approx(double x) { return x; }  // 简化

// 不导出的内容（模块内部实现）
static int helper() { return 42; }  // 不可见

// 导出类
export class Vector2D {
public:
    double x, y;
    Vector2D(double x, double y) : x(x), y(y) {}
    double length() const;
};

// 导出命名空间
export namespace math {
    constexpr double PI = 3.14159265358979;
    int gcd(int a, int b);
}

// === main.cpp（使用模块）===
import math;  // 导入模块，不是 #include

int main() {
    auto result = add(3, 4);           // 7
    auto v = Vector2D(3.0, 4.0);
    auto pi = math::PI;
    // helper() 不可见，编译错误
}

模块分区（Module Partitions）

// === geometry-shapes.cppm（模块分区）===
export module geometry:shapes;  // geometry 模块的 shapes 分区

export struct Circle { double r; };
export struct Rectangle { double w, h; };

// === geometry-algorithms.cppm（另一个分区）===
export module geometry:algorithms;
import :shapes;  // 导入同模块的 shapes 分区

export double area(const Circle& c) { return 3.14159 * c.r * c.r; }
export double area(const Rectangle& r) { return r.w * r.h; }

// === geometry.cppm（主模块接口）===
export module geometry;
export import :shapes;      // 重新导出 shapes 分区
export import :algorithms;  // 重新导出 algorithms 分区

// === main.cpp ===
import geometry;  // 获得所有导出的内容

Circle c{5.0};
std::cout << area(c) << "\n";

导入标准库（C++23）

// C++23 标准库模块
import std;        // 导入整个标准库
import std.compat; // 包含 C 兼容头文件

int main() {
    std::vector<int> v = {1, 2, 3};
    std::cout << std::ranges::max(v) << "\n";
}

// C++20 过渡期：头文件单元
import <vector>;   // 将头文件作为模块导入（编译器支持）
import <iostream>;

CMake 集成

# CMakeLists.txt（CMake 3.28+）
cmake_minimum_required(VERSION 3.28)
project(MyProject)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
set(CMAKE_CXX_SCAN_FOR_MODULES ON)

add_executable(app main.cpp)
target_sources(app
    PUBLIC
        FILE_SET CXX_MODULES FILES
            math.cppm
            geometry.cppm
)

与头文件互操作

// 在模块中使用传统头文件
module;  // 全局模块片段（Global Module Fragment）

// 在这里 #include 传统头文件，不会导出宏
#include <cmath>
#include <string>

export module mylib;  // 模块声明从这里开始

// 现在可以使用 std::string、std::sqrt 等
export std::string format_number(double x) {
    return std::to_string(std::sqrt(x));
}

编译速度对比

传统头文件：
  main.cpp → 解析 <vector> → 解析 <algorithm> → ... → 编译
  每个 .cpp 文件都重复解析所有头文件

Modules：
  math.cppm → 编译一次 → 生成 .pcm（预编译模块）
  main.cpp  → 直接读取 .pcm → 编译
  
实测：大型项目编译速度提升 2-10x

关键认知

Modules 是 C++ 编译模型的根本性改进。新项目建议直接使用 Modules，老项目可以通过"全局模块片段"逐步迁移。C++23 的 import std; 让标准库导入变得极其简单。