在模板基类的虚函数中使用前向声明的类，其中构造函数只需要前向声明？答案

【问题标题】：Use a forward-declared class in a virtual function in a template baseclass where the constructor only needs the forward declare?在模板基类的虚函数中使用前向声明的类，其中构造函数只需要前向声明？
【发布时间】：2013-12-18 22:04:39
【问题描述】：

我正在尝试找出失败的原因。我使用的代码基本上可以浓缩为我下面的内容。我有一个简单的 A 类，我专门用它来制作模板。模板不需要这个类型来编译它的构造函数，并且我实际调用的构造函数（派生类型）没有暴露出来，所以编译器此时无法生成构造函数的代码。

GCC 和 Clang 没有。但是，MSVC (2008 + 2010) 确实尝试编译虚拟成员，因此无法编译。

这是 GCC 和 Clang 的错误，还是 MSVC 的错误？还是我正在进入 UB 领域？

class A;

template <typename X>
class S {
public:
    S() {}

    virtual int useX() { return X::value; }
};

class T : public S<A> {
public:
    T();
};

int main()
{
    new T();
    return 0;
}

【问题讨论】：

[temp.inst]/10 “如果虚拟成员函数不会被实例化，则未指定实现是否隐式实例化类模板的虚拟成员函数。”
“实现”是什么意思？
C++ 标准的实现，即编译器（+链接器）+标准库。

标签： c++ templates visual-c++ gcc

【解决方案1】：

当 MSVC 实例化一个类时，它也会填充它的 vtable，并为此实例化它的所有虚函数，甚至那些从未调用过的虚函数。

在您的情况下，如果没有编译器看到 A 的完整定义，就无法实例化函数 useX。

如果您将 useX 声明为非虚拟，则 MSVC 可以正常工作。

似乎这种行为是依赖于编译器的；例如，AIX 在实例化（未使用的）函数方面比 MSVC 更加激进。

【讨论】：

那是调用构造函数的地方，还是定义的地方？
构造函数的一个工作是初始化一个_vtable指针。如果构造函数的编译单元看到（内联）虚函数的定义，它会在 MSVC 中“执行”并尝试实例化该函数。（总的来说，这是一种很好的方法，因为它允许内联一些对虚函数的调用）。在您的情况下，它会导致编译错误。另一方面，如果删除useX 的主体，编译将通过但链接器将失败。
这就是重点......这个简单程序正在调用的类的构造函数在这里没有定义。它的基本构造函数是，并且该基本构造函数需要的虚函数也是。在该构造函数的翻译单元中，类型必须是已知的，是的。但是为什么要在这里知道呢？

【解决方案2】：

首先，正如许多人所说，该标准完全允许编译器在这种情况下实例化（或选择不实例化）他们心中的内容；通过对标准的严格解释，这是一个代码问题，而不是 MSVC 错误。您所依赖的行为是特定于平台的，因此是非标准的；虽然这本身不是一个“错误”，但它显然是不可移植的。

不过，有趣的是要了解为什么 GCC 和 Clang 与 MSVC 不同，这与每个编译器中 vtable 的设置方式有关。

对象在内存中的外观快速概览：

没有继承，所有调用都是静态的，没有 vtable 或调整
单一继承，所有调用都是静态的，巧妙的组织
多重继承，所有调用都是静态的，指针调整
虚拟继承，调用可以动态、vtable和指针调整

在第一种情况下，所有信息都可以是静态的；成员函数只是带有隐藏 this 的普通函数。在第二种情况下，派生类（或类，对于一个很长的继承列表）可以巧妙地放在内存中的基类之后，这样 Derived* == Base*。显然，这种优化不适用于多重继承，这意味着每次调用都需要调整 this 指针。然后，虚拟继承添加了一个数组，即 vtable，它在运行时动态选择正确的函数。

这与未使用成员的实例化有什么关系？

一般来说，无论你的实现是什么，你都需要三样东西：

一个增量，详细说明您关心的子对象在您的 this 中的哪个位置
虚拟索引 (vindex) 详细说明要调用的虚拟方法
要调用的方法数组（vtable）

G++ 有一种标准化且复制良好的方式来进行这些调整，用于许多编译器（包括 Clang，因为 Clang 旨在替代 GCC）：

显式存储增量
还将 vindex 和偏移量计算存储在 vtable 中，在偶数上存储方法地址，在赔率上存储 vindex 的地址

这是一种奇怪的缓存优化，有一些好处；尽管不是最优雅的解决方案，但它已被广泛复制。它在所有情况下都使用一个结构，并且每次都执行相同的计算，具体取决于编译器优化以在适用时用直接调用替换虚拟表跃点（GCC 优化器非常擅长的任务）。

另一方面，MSVC 不仅有点不雅。这是一个可怕的 hack：它对每种情况使用不同的结构。这允许它避免不必要的计算开销，并在许多情况下节省空间。然而，这意味着强制转换成员函数指针会导致它们改变大小，在常见的情况下（派生到基类）会导致它们丢失信息。

因此，与更优雅的 GCC 实现不同，MSVC 绝对必须实例化虚成员函数；如果没有，它很容易在翻译单元之间或链接期间丢失信息，并且具有相同的对象由不同大小的结构表示！

这是一个他们实际上添加关键字来处理它的问题：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ck561bfk.aspx

因此，虽然您认为编译器不需要该类型，但 MSVC 肯定需要，否则几乎肯定会不安全。

编辑：把自己和简单的单继承弄糊涂了，基类排在第一位：

class A : public B

变成

[[B]A]

所以指针 *B == *A

【讨论】：

【解决方案3】：

来自 C++1y 标准草案：（通过 @DyP）

实现不应隐式实例化函数模板、变量模板、成员板、非虚拟成员函数、成员类或类模板的静态数据成员不需要实例化。 未指定实现是否隐式实例化类模板的虚拟成员函数，如果该虚拟成员函数不会在其他情况下实例化。 在默认参数中使用模板特化不应导致模板被隐式实例化，除非类模板可以在需要其完整类型的地方实例化确定默认参数的正确性。在函数调用中使用默认参数会导致要隐式实例化的默认参数中的特化。

强调我的。 template 中的任何 virtual 函数都可以由任何 C++ 编译器在任何时候出于任何原因或没有原因进行实例化，而不会违反 C++ 标准。所以MSVC在这件事上是符合标准的。

这是 the current draft N3797 中的 14.7.1.11。

【讨论】：