C++20 模块化特性自 2019 年正式纳入标准以来，一直被视为解决 C++ 编译时间长、头文件重复解析、宏污染等顽疾的下一代基础设施。然而六年过去，该特性的实际采用率仍远低于预期，其中一个关键因素在于各主流编译器的实现细节存在显著差异，导致同一份模块化代码在不同编译器下的行为可能截然不同。本文从编译器工程视角出发，系统梳理 GCC、Clang、MSVC 三大编译器对 C++20 模块的实现策略，为生产环境的技术选型与迁移决策提供可落地的参数参考。
模块编译的核心概念：BMI 与两步编译流程
理解 C++20 模块的工作原理，首先需要掌握模块接口单元与模块实现单元的区分。一个完整的模块由主模块接口单元（Primary Module Interface Unit）承载导出声明，由模块实现单元（Module Implementation Unit）提供具体实现。编译器在处理模块时采用两步编译策略，这与传统头文件的单遍解析形成本质差异。
第一步是模块接口编译阶段。编译器读取模块接口源文件（通常以 .cppm、.ixx 或 .cpp 为后缀），执行完整的语法分析与语义分析，然后生成一种中间产物。在 Clang 中这一产物被称为预编译模块文件（Precompiled Module File），后缀为 .pcm；GCC 则将其命名为 GCC 模块文件（GCC Module File），后缀为 .gcm；MSVC 使用接口文件（Interface File），后缀为 .ifc。无论名称如何，这些文件的本质都是序列化的模块声明信息，包含导出的类型、函数、变量以及必要的模板实例化结果，供其他翻译单元导入使用。
第二步是模块实现编译阶段。编译器再次读取模块接口源文件（或者是独立的实现文件），但这次的主要目标是生成目标文件（.o 或 .obj）供链接器使用。需要特别注意的是，模块接口源文件本身也会产生目标代码，其中包含内联函数、constexpr 变量以及模板定义的实现。这些目标代码在链接时会被统一处理，确保多重定义规则仍然生效。
这一两步编译流程意味着模块系统的构建系统必须正确建模模块依赖关系。传统的 makefile 或简单脚本难以胜任，因为编译顺序和模块产物的传递需要精确控制。这也是为什么 CMake 在早期对 C++20 模块的支持一直被视为阻碍该特性普及的关键瓶颈之一。
三大编译器的实现差异详解
Clang 的模块化实现路径
Clang 对 C++20 模块的实现经历了从实验性标志到正式支持的演进过程。在 Clang 13 之前，开发者需要使用 -fmodules-ts 标志启用实验性模块支持；Clang 17 之后，这一特性已默认纳入标准支持，无需额外标志。Clang 使用 .pcm 文件作为模块接口的二进制表示，其生成与使用遵循以下基本模式：
# 预编译模块接口
clang++ -std=c++20 foo.cppm --precompile -o foo.pcm
# 编译使用模块的客户端代码
clang++ -std=c++20 client.cpp -fmodule-file=foo.pcm -c -o client.o
# 链接阶段需要同时提供 client.o 和 foo.pcm
clang++ client.o foo.pcm -o program
Clang 提供了一个便捷标志 -fmodules-embed-all-files，用于将所有被模块引用的头文件内容嵌入到 PCM 文件中，从而避免运行时对头文件路径的依赖。这一选项在分发预编译模块时尤为重要，可以确保模块在不同构建环境中具有确定性行为。
Clang 的模块实现还引入了模块文件配置匹配检测机制。当编译模块接口时使用的编译器选项与消费模块时使用的选项不一致时，会触发 -Wmodule-file-config-mismatch 警告。这是因为模块的某些内部表示（如模板实例化的记忆化结果）对编译器标志敏感，不一致的标志可能导致未定义行为。
GCC 的模块化实现路径
GCC 对 C++20 模块的支持始于 GCC 11，并在后续版本中持续完善。GCC 使用 .gcm 文件作为模块接口的二进制格式，其生成流程与 Clang 有所不同。在 GCC 的模型中，模块接口的编译与普通源文件的编译语法接近，主要通过 -fmodules 标志启用：
# 编译模块接口并生成 GCM 文件
g++ -fmodules -std=c++20 -c foo.cppm -o foo.o
# GCM 文件会被自动生成在 gcm.cache 目录下
# 编译客户端代码
g++ -fmodules -std=c++20 client.cpp -c -o client.o
# 链接
g++ client.o foo.o -o program
GCC 的一个显著特点是将模块文件缓存于 gcm.cache 目录中，这一设计借鉴了预编译头文件的缓存机制。可以通过 gcm.cache 目录下的 .gcm 文件内容来验证模块的导出声明，使用 readelf -p.gnu.c++.README <module>.gcm 可以查看模块的内部结构。
GCC 在处理模块分区（Module Partitions）时的行为与 Clang 存在微妙差异。模块分区允许将一个大型模块拆分为多个文件，其中主接口文件导出分区，分区文件各自实现一部分功能。这种设计在大型代码库中用于组织代码结构，但不同编译器对分区可见性的处理可能产生编译差异。
MSVC 的模块化实现路径
MSVC 对 C++20 模块的支持路线与 GCC、Clang 有明显区别，其模块接口文件格式为 .ifc（Interface File）。Visual Studio 2022 版本对模块支持进行了重大改进，使该特性在 Windows 平台的可用性大幅提升。MSVC 的模块编译流程使用 //std:c++20 开关，并通过 /interface 标志生成模块接口：
# 编译模块接口
cl /std:c++20 /interface /TP foo.cppm # /TP 强制按 C++ 编译
# 生成 foo.ifc 文件
# 编译客户端代码
cl /std:c++20 client.cpp /reference foo.ifc
# 链接
cl client.obj foo.obj /Fe:program.exe
MSVC 的一个重要特性是其对模块与命名空间映射关系的处理方式。在某些情况下，MSVC 会将模块名视为类似命名空间的结构，这在处理第三方库模块时可能导致意外的查找行为。此外，MSVC 对 /permissive- 模式与模块结合使用时存在特定要求，需要确保启用了正确的 conformance 模式。
import 语义与 include 语义的兼容性边界
理解 import 语句与 #include 指令的本质差异，对于设计模块迁移策略至关重要。虽然表面上看，两者都服务于代码复用这一目的，但其底层的编译期行为存在根本区别。
当编译器处理 #include 指令时，它执行的是文本替换操作。被包含的头文件内容会被原样插入到包含点，参与当前翻译单元的词法分析和语法分析过程。这意味着头文件中的宏定义在整个包含点之后的代码中持续有效，头文件之间的包含顺序会影响最终展开的结果，而同一头文件被多次包含时需要通过 #pragma once 或 include guard 机制来避免重复定义问题。
相比之下，import 语句引入的是语义实体而非文本。编译器在处理 import 时，会加载预编译的模块接口文件，将其中导出的声明导入到当前作用域。这些声明一旦被导入，其作用范围仅限于当前翻译单元，不会产生宏扩散，也不会受到包含顺序的影响。模块接口文件中未显式导出的内容对导入方完全不可见，这提供了比头文件更强的封装性。
C++20 标准同时引入了头单元（Header Units）作为迁移辅助机制，允许通过 import "header.h"; 的语法导入传统头文件。编译器会自动将指定的头文件视为模块接口进行预编译处理。这一机制的核心价值在于提供渐进式迁移路径：现有代码可以逐步将 #include 替换为 import "header.h"，而不需要立即将整个代码库切换为纯模块化架构。
然而，头单元的使用存在性能边界问题。根据实践经验，直接对 <iostream>、<vector> 等标准库头文件使用头单元语法（import <iostream>;）虽然语法上被编译器接受，但其效率远低于使用标准库原生模块支持（C++23 的 import std;）。这是因为头单元需要编译器实时解析头文件内容并生成临时模块接口，而原生模块支持则是库提供方预先编译好的模块文件。
生产环境迁移的工程实践参数
构建系统配置要点
在 CMake 3.28 及以上版本中，对 C++20 模块的支持已相当成熟。核心配置包括使用 CXX_MODULES 文件集指定模块源文件，以及通过 CMAKE_EXPERIMENTAL_CXX_IMPORT_STD 开关启用标准库模块的实验性支持。以下是一个可供参考的配置模板：
cmake_minimum_required(VERSION 3.28)
project(MyProject LANGUAGES CXX)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 23)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
set(CMAKE_CXX_EXTENSIONS OFF)
# 启用 C++23 标准库模块
set(CMAKE_EXPERIMENTAL_CXX_IMPORT_STD ON)
add_library(my_module)
target_sources(my_module PRIVATE FILE_SET CXX_MODULES
FILES my_module.cppm
)
add_executable(my_app main.cpp)
target_link_libraries(my_app PRIVATE my_module)
对于 Bazel 用户，Bazel 7.0 引入了符合 C++20 模块规范的原生支持。通过 cc_module 规则可以声明模块接口，通过 CcInfo 机制传递模块依赖。Google 内部的修改版 Bazel 已在其大规模代码库中验证了模块化编译的可行性，并正在推动相关实现贡献给上游社区。
编译标志工程参数
跨编译器环境需要维护一套统一的编译标志抽象层。根据三大编译器的实现差异，以下参数组合可作为生产环境的基准配置：
对于 Clang 环境，核心标志包括 -std=c++20 或更高版本、-fmodules 启用模块支持、-fmodule-file=<path> 指定预编译模块路径。当需要分发预编译模块时，-Xclang -fmodules-embed-all-files 标志确保所有依赖的头文件内容被内嵌，避免运行时对头文件位置的依赖。
对于 GCC 环境，核心标志为 -fmodules，注意 GCC 不需要 --precompile 步骤，模块接口编译与普通源文件编译使用相同命令。gcm.cache 目录的清理策略需要纳入构建流程，确保增量构建时模块缓存的一致性。
对于 MSVC 环境，需要 /std:c++20 或更高版本、/interface 标志生成模块接口，以及 /reference <module>.ifc 标志引用模块。在 Windows 平台上，还需要注意 /Zc:__cplusplus 标志确保 __cplusplus 宏反映实际标准版本。
模块接口文件的组织策略
模块接口文件的命名约定对于代码库的可维护性至关重要。业界常见的约定包括使用 .cppm 后缀明确标识模块接口源文件、使用 .ixx 后缀（源自微软的早期约定）或继续使用 .cpp 后缀但通过构建系统配置区分处理。无论选择哪种约定，关键是在整个代码库中保持一致，并在代码审査流程中强制执行。
对于第三方库的模块化封装，存在两种主要策略。第一种是单一大模块策略，将整个第三方库封装为一个模块接口文件，简化依赖管理但可能降低编译效率。第二种是按需拆分策略，根据库的物理结构创建多个模块分区，客户端按需导入所需子模块。对于大型库（如 Boost），推荐采用第二种策略并结合模块分区语法实现细粒度控制。
编译时与运行时的权衡
采用 C++20 模块化架构后，编译时间的收益并非均匀分布。首次编译模块接口会产生额外开销，因为需要生成 PCM/GCM/IFC 文件；但后续编译使用该模块的客户端代码时，可以直接加载预编译的模块接口，省去重复解析头文件的成本。因此，模块化对编译时间的净收益取决于代码库的结构特征：频繁变化的核心模块接口可能导致大量下游客户端的级联重编译，而稳定的底层模块则能带来显著的编译加速。
运行时性能方面，模块化对生成的机器码几乎没有直接影响。模块机制不改变模板实例化的结果，也不会引入额外的间接调用开销。理论上，由于模块接口在预编译时已完成更多的语义分析，编译器可能生成更优化的代码，但这一收益在实践中难以量化观察到。
代码大小是另一个需要关注的维度。模块化后，模板实例化结果会随模块接口一起分发，可能导致生成的程序包含重复的模板实例化代码（ODR 原则允许一个定义出现在多个翻译单元中）。然而，链接器的重复代码消除（GC）优化通常能够处理这一问题，最终可执行文件的大小与传统头文件方案相比不会有显著差异。
资料来源
本文核心事实来源于 Clang 官方文档对标准 C++ 模块的说明（https://clang.llvm.org/docs/StandardCPlusPlusModules.html）、GCC 官方文档对 C++ 模块的实现说明（https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-15.1.0/gcc/C_002b_002b-Modules.html），以及 2025 年 8 月发布的 C++20 模块实践经验总结文章（https://chuanqixu9.github.io/c++/2025/08/14/C++20-Modules.en.html）。