带有 std::ostream 的 declval 表达式（用于 SFINAE）答案

【问题标题】：declval expression (for SFINAE) with std::ostream带有 std::ostream 的 declval 表达式（用于 SFINAE）
【发布时间】：2016-05-27 10:13:35
【问题描述】：

我正在尝试创建一个类型特征类以确定特定类型 T 是否可以通过 std::ostream 的 << 运算符进行流式传输。我使用的是简单的 SFINAE 技术。

最终，我尝试评估替换失败的表达式是：

decltype(std::declval<std::ostream>() << std::declval<T>()) ;

我的期望是，给定一个T 类型的实例t 和一个std::ostream 实例os，如果表达式os << t 格式不正确，那么应该会发生替换失败。

但显然，无论T 类型如何，这里都不会发生替换失败。即使我只是使用上面的decltype 表达式声明了一个typedef，在SFINAE 的上下文之外，它也会愉快地编译，即使T 不能与std::ostream 一起使用。

例如：

struct Foo  { };

int main()
{
    // This compiles fine using GCC 4.9.2
    //
    typedef decltype(
        std::declval<std::ostream>() << std::declval<Foo>()
    ) foo_type;
}

上面的代码使用 GCC 4.9.2 可以很好地编译，这不是我所期望的，因为 << 运算符没有重载以使用类型 Foo。当然，如果我说：

std::cout << Foo();

... 我得到一个编译器错误。那么为什么上面的decltype 表达式甚至可以编译呢？

【问题讨论】：

它与std::declval<std::ostream&>() 正确反应。但我不知道为什么。

标签： c++ sfinae

【解决方案1】：

C++11 添加了以下operator<< 重载：

template< class CharT, class Traits, class T >
basic_ostream< CharT, Traits >& operator<<( basic_ostream<CharT,Traits>&& os, 
                                            const T& value );

这将转发到标准插入运算符，它不能将右值引用绑定到std::ostreams，因为它们采用非常量引用。由于std::declval<std::ostream> 返回std::ostream&&，因此选择了此重载，然后由于非常宽松的接口（即，如果没有有效的底层插入运算符，这不是SFINAEd），您的decltype 说明符有效。

简单的解决方法是使用std::declval<std::ostream&>()。这将返回一个std::ostream&，因此您的decltype 说明符不会选择模板重载，并且需要正常的插入运算符重载才能编译：

typedef decltype(
    std::declval<std::ostream&>() << std::declval<Foo>()
) foo_type;

Clang 输出如下：

main.cpp:8:39: error: invalid operands to binary expression ('std::basic_ostream<char>' and 'Foo')
        std::declval<std::ostream&>() << std::declval<Foo>()
        ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ^  ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Live Demo

这是一个更简单的例子，它展示了同样的问题：

#include <string>

void foo (int&,int){}
void foo (int&,float){}

template <typename T>
void foo (int&& a, T b) {
    foo(a, b);
}

int main()
{
    std::string s;
    typedef decltype(foo(1,s)) foo_type;
}

Live Demo

以下是相关标准报价（N4140）：

声明必须实例化，因为涉及重载解析：

[temp.inst]/10: 如果以涉及重载的方式使用函数模板或成员函数模板特化分辨率，特化的声明被隐式实例化（14.8.3）。

只有声明需要实例化：

[temp.over]/5: 只需要函数模板特化的签名就可以将特化输入一组候选函数。因此，只需要函数模板声明来解析调用模板专业化是候选者。

并且实现不允许实例化函数体：

[temp.inst]/11: 实现不应隐式实例化不需要实例化的类模板的函数模板、变量模板、成员模板、非虚拟成员函数、成员类或静态数据成员。

【讨论】：

为什么您的简单示例会出现问题？（即，为什么不是替换失败？）
@Eric 我的意思是它在任何情况下都不会是替换失败，因为它不在 SFINAE 上下文中，但这不是硬失败，因为 decltype 说明符是未评估的上下文，所以只有声明被实例化。
@Eric 我添加了相关标准的引用，这样更清楚吗？

【解决方案2】：

并没有真正回答为什么会发生这种情况，但如果你用std::stream& 替换如下：

template<typename T, typename Enable = std::ostream&>
struct can_be_streamed : std::false_type {};
template<typename T>
struct can_be_streamed<T, 
         decltype(std::declval<std::ostream&>() << std::declval<T>())> : std::true_type {};

似乎有效。

Live Demo

【讨论】：

【解决方案3】：

如果你查看头文件ostream，你会发现因为std::declval产生了rvlaue引用，其实有一个匹配的泛型operator<<：

#if __cplusplus >= 201103L
  /** 
   *  @brief  Generic inserter for rvalue stream
   *  @param  __os  An input stream.
   *  @param  __x  A reference to the object being inserted.
   *  @return  os  
   *   
   *  This is just a forwarding function to allow insertion to
   *  rvalue streams since they won't bind to the inserter functions
   *  that take an lvalue reference.
  */  
  template<typename _CharT, typename _Traits, typename _Tp>
    inline basic_ostream<_CharT, _Traits>&
    operator<<(basic_ostream<_CharT, _Traits>&& __os, const _Tp& __x)
    {   
      __os << __x;
      return __os;
    }   
#endif // C++11

这解释了为什么您没有出现替代失败。但是，这实际上不能与 std::cout << Foo() 调用匹配。以下是编译错误的相关部分：

/usr/local/bin/../lib/gcc/x86_64-pc-linux-gnu/6.1.0/../../../../include/c++/6.1.0/ostream:628:5: note: candidate function [with _CharT = char, _Traits = std::char_traits<char>, _Tp = Foo] not viable: no known conversion from 'ostream' (aka 'basic_ostream<char>') to 'basic_ostream<char, std::char_traits<char> > &&' for 1st argument
    operator<<(basic_ostream<_CharT, _Traits>&& __os, const _Tp& __x)
    ^

这里的问题是 lhs 只能是一个右值引用，但你（显然）在调用中使用了一个左值（即std::cout）。

【讨论】：