c++ 模板友元运算符与另一个类似运算符

Question

我有一个带有重载友元运算符的模板。它工作得很好，但是如果一个范围内有另一个不相关但相似的运算符，它不会编译：g++产生奇怪的错误，icc和MSVC产生类似的错误。

代码是：

template <class Type> class product {};
template <> class product<double> { public: typedef double type; };

template<class Type> class product2 { 
    public: typedef typename product<Type>::type type; 
};

//------------

template <class Cmpt> class Tensor {  };

template <class Cmpt> 
typename product2<Cmpt>::type operator& 
(const Tensor<Cmpt>& a, const Tensor<Cmpt>& b) 
{ return 0; }         // [1]

//template <class Cmpt> 
//typename product<Cmpt>::type operator& 
//(const Tensor<Cmpt>& a, const Tensor<Cmpt>& b) 
//{ return 0; }

//-----

template<class Type> class fvMatrix;

template<class Type>
fvMatrix<Type> operator& 
(const fvMatrix<Type>& a, const fvMatrix<Type>& b) 
{ return a; }

template <class Type> class fvMatrix {
    friend fvMatrix<Type> operator& <Type> 
    (const fvMatrix<Type>& a, const fvMatrix<Type>& b);
};

//----------

int main() {
  fvMatrix<int> m;
  m & m;
  return 0;
}

gcc 4.8.1 的错误是（4.8.0 和 4.7.2 类似）：

c.cpp: In instantiation of 'class product2<int>':
c.cpp:13:31:   required by substitution of 'template<class Cmpt> typename product2<Type>::type operator&(const Tensor<Cmpt>&, const Tensor<Cmpt>&) [with Cmpt = int]'
c.cpp:32:27:   required from 'class fvMatrix<int>'
c.cpp:39:17:   required from here
c.cpp:5:50: error: no type named 'type' in 'class product<int>'
     public: typedef typename product<Type>::type type;

icc 和 MSVC 会产生类似的错误（即尝试通过 operator& 使用 product<int>::type 来代替 Tensor<int>）。

如果我更改代码以便使用 product 或 operator& 中的 product2 代替 Tensor（取消注释注释行和注释运算符 [1]），则代码编译。

如果我完全删除类 Tensor 及其 operator&，则代码编译。

更新：完全删除 m&m; 行仍然导致代码无法编译。

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我看到许多消息来源建议写friend fvMatrix<Type> operator& <>，即在<>（http://www.parashift.com/c++-faq-lite/template-friends.html，C++ template friend operator overloading）之间没有Type，这确实解决了这个问题。

然而，即使https://stackoverflow.com/a/4661372/3216312 的评论使用friend std::ostream& operator<< <T>

那么，问题是：为什么上面的代码不能编译？写friend fvMatrix<Type> operator& <Type> 错了吗？为什么？

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背景：我们正在修改 OpenFOAM 框架，并在使用 friend ... operator& <Type>（http://foam.sourceforge.net/docs/cpp/a04795_source.html，第 484 行）的原始 OpenFOAM 代码中遇到了这样的问题。

Answer 1

用一些标准语作为序言

您的 friend 声明与 [temp.friend]/1 的四个子句中的第一个匹配（省略其他 3 个子句）：

14.5.4 朋友 [temp.friend]

1 类或类模板的朋友可以是函数模板或 类模板，函数模板的特化或类 模板，或普通（非模板）函数或类。为一个 不是模板声明的友元函数声明：

——如果 朋友的名字是一个合格或不合格的模板ID， 朋友声明是指函数模板的特化， 否则

你的朋友声明会找到哪些名字？

7.3.1.2 命名空间成员定义 [namespace.memdef]

3 [...] 如果朋友声明中的名称既不合格也不合格 template-id 并且声明是一个函数或一个 详细类型说明符，查找以确定实体是否 已事先声明不得考虑任何范围之外的 最里面的封闭命名空间。 [注：其他形式的朋友 声明不能声明最内层的新成员 命名空间，因此遵循通常的查找规则。 ——尾注]

因为operator& 有多个重载，所以需要部分排序：

14.5.6.2 函数模板的部分排序 [temp.func.order]

1 如果函数模板被重载，使用函数模板 专业化可能是模棱两可的，因为 模板参数推导 (14.8.2) 可以将函数模板特化与更多 不止一个函数模板声明。重载的部分排序 函数模板声明在以下上下文中用于 选择函数模板到的函数模板 专业是指：

——当一个朋友功能 声明 (14.5.4)、显式实例化 (14.7.2) 或 显式特化（14.7.3）指的是一个函数模板 专业化。

并且候选集通常由一组在参数模板推导中幸存下来的函数确定：

14.8.2.6 从函数声明中推导出模板参数 [temp.deduct.decl]

1 在一个声明中，其 declarator-id 指的是 函数模板，模板参数推导 确定声明所指的专业化。 具体来说，这是为显式实例化（14.7.2）完成的， 显式特化 (14.7.3)、和某些友元声明 (14.5.4)。

其中幸存的参数推导由臭名昭著的 SFINAE（替换失败不是错误）子句管理，该子句仅适用于直接上下文：

14.8.2 模板参数推导 [temp.deduct]

8 [...] 如果 替换导致无效的类型或表达式，则类型推导失败。无效的类型或表达式是 如果使用替换参数编写，则格式错误，需要诊断。 [ 笔记： 如果不需要诊断，则程序仍然是格式错误的。访问检查是作为替换的一部分完成的 过程。 — 尾注] 只有在函数类型的直接上下文中无效的类型和表达式和 其模板参数类型可能导致推演失败。

将标准应用于您的示例

在您帖子的所有变体中，argument-dependent-lookup 将在 fvMatrix 类模板的关联全局命名空间中找到 operator& 的两个重载。然后这些重载必须进行参数推导和偏序：

1. 第一个例子（代码片段）：因为你有friend ... operator& <Type> (...)，所以没有参数推导，而是简单替换Cmpt=int和Type=int，这会产生product<int>::type的无效类型里面 product2。这不是直接的上下文，因此是一个硬错误。删除Tensor 类模板当然也会删除错误。
2. 第二个示例：同上，但使用typename product<Cmpt>::type 而不是product2<Cmpt::type 作为Tensor<Cmpt> 上operator& 的返回类型。在这里，无效类型在直接上下文中，您会收到一个 SFINAE 软错误，并且选择了有效的 operator& for fvMatrix<Type>。
3. 第三个示例：与第一个示例相同，但带有 friend ... operator& <> (...)。这需要参数推导，现在Tensor 上的原始operator& 具有product2::type 返回类型实际上是无害的，因为参数推导本身失败（没有模板Cmpt 可以使Tensor<Cmpt> 等于fvMatrix<int> ) 并且没有替代可以产生硬错误。

避免这些微妙之处的最佳方法

因为根本原因是不相关的运算符重载污染了全局命名空间，所以解决方法很简单：将每个类模板包装在自己的命名空间中！例如。 Tensor<Cmpt> 到 namespace N1 和 fvMatrix<Type> 到 namespace N2。然后fvMatrix 中的朋友声明将找不到operator& 的Tensor<Cmpt> 并且一切正常。

Answer 2

据我所知，前两行

template <class Type> class product {};
template <> class product<double> { public: typedef double type; };

应该替换为

template <class Type> class product { public: typedef Type type; };

我不完全确定这是否是您想要的，但这确实消除了编译器错误。 从根本上说，错误

c.cpp:5:50: error: no type named 'type' in 'class product<int>'

是因为product<int> 的定义为空。 请注意，您的第一行定义了一个空的通用 product<Type>，而第二行只定义了

public: typedef double type;

作为product<double> 的主体，不适用于一般的product<Type>。

新版本允许为所有类型创建类似的typedef。

附带说明，如果你改变了

fvMatrix<int> m;

进入

fvMatrix<double> m;

代码也会编译，因为product<double> 确实包含public: typedef double type;。