为什么 C++ 显式实例化的模板方法不能覆盖虚拟方法？

Question

为什么下面代码中的 TemplateChild 不起作用？我知道虚方法不能是模板，但是为什么显式实例化的模板方法不能覆盖虚方法呢？

#include <iostream>

class VirtBase
{
public:
    VirtBase() {};
    virtual ~VirtBase() {};

    virtual void method( int input ) = 0;
    virtual void method( float input ) = 0;
};

class RegularChild : public VirtBase
{
public:
    RegularChild() {};
    ~RegularChild() {};

    void method( int input ) {
        std::cout << "R" << input << std::endl;
    }
    void method( float input ) {
        std::cout << "R" << input << std::endl;
    }
};

class TemplateBounceChild : public VirtBase
{
public:
    TemplateBounceChild() {};
    ~TemplateBounceChild() {};

    void method( int input ) {
        this->method<>( input );
    }
    void method( float input ) {
        this->method<>( input );
    }
    template< typename INPUT >
    void method( INPUT input ) {
        std::cout << "B" << input << std::endl;
    };
};

class TemplateChild : public VirtBase
{
public:
    TemplateChild() {};
    ~TemplateChild() {};

    template< typename INPUT >
    void method( INPUT input ) {
        std::cout << "T" << input << std::endl;
    };
};

template void TemplateChild::method< int >( int );
template void TemplateChild::method< float >( float );

int main( int, char**, char** )
{
    int i = 1;
    float f = 2.5f;

    VirtBase * v;

    RegularChild r;
    v = &r;

    r.method( i );
    r.method( f );
    v->method( i );
    v->method( f );

    TemplateChild c; // TemplateBounceChild here works correctly.
    v = &c;

    c.method( i );
    c.method( f );
    v->method( i );
    v->method( f );

    return 0;
}

gcc 4.4.7 (CentOS 6) 和 Clang 3.3 (trunk 177401) 同意这两个纯虚方法没有在 TemplateChild 中实现，尽管在编译时 TemplateChild 显式地有一个名为 'method' 的方法，它需要一个float，以及一个名为“method”的方法，它采用 int。

仅仅是因为显式实例化来得太晚，TemplateChild 被认为是非纯虚拟的吗？

编辑：C++11 14.5.2 [temp.mem]/4 表示这不适用于专业化。但是我在 [temp.explicit] 部分中找不到任何关于同一件事的明确内容。

4 A specialization of a member function template does not override a virtual function from a base class.

我还编辑了 TemplateBounceChild 以匹配 C++11 草案的该部分中使用的示例。

Answer 1

让我们考虑一下如果允许这样做会发生什么。

TemplateChild 类的定义可能存在于多个翻译单元（源文件）中。在这些翻译单元中的每一个中，编译器都需要能够为TemplateChild 生成虚函数表（vtable），以确保该虚表存在以供链接器使用。

vtable 说，“对于动态类型为TemplateChild 的对象，这些是所有虚函数的最终覆盖。”例如，对于RegularChild，vtable 映射两个覆盖RegularChild::method(int) 和RegularChild::method(float)。

TemplateChild::method 的显式实例化只会出现在一个翻译单元中，编译器只知道它们存在于那个翻译单元中。在编译其他翻译单元时，它不知道存在显式实例化。这意味着你最终会得到两个不同的类的vtables：

在存在显式实例化的翻译单元中，您将拥有一个映射两个覆盖 TemplateChild::method<int>(int) 和 TemplateChild::method<float>(float) 的 vtable。没关系。

但是在不存在显式实例化的翻译单元中，您将拥有一个映射到基类虚函数的 vtable（在您的示例中是纯虚函数；让我们假设有基类定义）。

您甚至可能有两个以上不同的 vtable，例如如果int 和float 的显式实例出现在各自的翻译单元中。

无论如何，现在我们对同一事物有多个不同的定义，这是一个主要问题。链接器充其量可能会选择一个并丢弃其余的。即使有某种方法可以告诉链接器选择具有显式实例化的链接器，您仍然会遇到编译器可能会去虚拟化虚函数调用的问题，但要做到这一点，编译器需要知道最终的覆盖器是什么（实际上，它需要知道 vtable 中的内容）。

因此，如果允许这样做，将会出现一些重大问题，并且考虑到 C++ 编译模型，我认为这些问题是无法解决的（至少在 C++ 编译完成方式没有重大变化的情况下无法解决）。

Answer 2

显式实例化只会导致模板被实例化。对于函数模板，这与使用它的效果相同。无论成员函数是显式实例化还是定期使用，都没有理由期望有什么不同的工作方式。

模板特化不能覆盖非模板函数，因为它们没有相同的名称。特化由包含模板参数的模板 ID 命名。忽略签名中的模板参数，具有不同参数的几个特化可以具有相同的签名。

如果语言想要确定一个特化应该是一个虚拟覆盖，因为签名与基类虚拟成员一致，它必须确定如果函数是用一些参数调用的，那么所有模板参数都可以推导出来匹配一些虚函数。它不能依赖检查你实际调用函数的方式（由于推论，它看起来像一个虚拟调度），因为你可以使用模板参数以更模糊的方式调用它，或者根本不调用它（这是您尝试使用显式实例化解决的问题）。

N 个基类 virtual 函数和 M 个可能匹配它们的派生类模板的组合将具有 O(N*M) 复杂度。在这种情况下，特殊功能的扩展性会很差。

因此，最好在每次实际覆盖时使用常规的virtual 函数声明来明确。 （不过，如果能够将这些函数的别名放在一起，这样它们的地址比较相等可能会很好；尽管指向虚拟成员函数的指针工作方式不同，但相同的函数可能是一个微优化。）

Answer 3

因为标准是这样说的。参见 C++11 14.5.2 [temp.mem]/3：

成员函数模板不能是虚拟的。