模板类中的 C++20 类外定义

Question

直到 C++ 的 C++20 标准，当我们想要定义一个使用模板类的一些私有成员的类外运算符时，我们会使用类似于这样的构造：

template <typename T>
class Foo;

template <typename T>
constexpr bool operator==(T lhs, const Foo<T>& rhs);

template <typename T>
class Foo {
public:
    constexpr Foo(T k) : mK(k) {}

    constexpr friend bool operator==<T>(T lhs, const Foo& rhs);

private:
    T mK;
};

template <typename T>
constexpr bool operator==(T lhs, const Foo<T>& rhs) {
    return lhs == rhs.mK;
}

int main() {
    return 1 == Foo<int>(1) ? 0 : 1;
}

然而，从 C++20 开始，我们可以省略类外声明，因此也可以省略前向声明，所以我们可以只做：

template <typename T>
class Foo {
public:
    constexpr Foo(T k) : mK(k) {}

    constexpr friend bool operator==<T>(T lhs, const Foo& rhs);
private:
    T mK;
};

template <typename T>
constexpr bool operator==(T lhs, const Foo<T>& rhs) {
    return lhs == rhs.mK;
}

Demo

现在，我的问题是，C++20 的哪一部分允许我们这样做？为什么在早期的 C++ 标准中不可能做到这一点？

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正如 cmets 中所指出的，clang 不接受演示中提供的此代码，这表明这实际上可能是 gcc 中的错误。

我在 gcc 的 bugzilla 上提交了 bug report

Answer 1

GCC 有一个错误。

总是对出现在 < 之前的模板名称执行名称查找，即使所讨论的名称是在（友元、显式特化或显式实例化）声明中声明的名称。

因为朋友声明中的名称operator== 是一个非限定名称，并且需要在模板中进行名称查找，所以适用两阶段名称查找规则。在这种情况下，operator== 不是从属名称（它不是函数调用的一部分，因此 ADL 不适用），因此在出现的位置查找并绑定名称（参见 [temp.nondep] 段落1）。您的示例格式错误，因为此名称查找未找到 operator== 的声明。

由于P0846R0，我希望 GCC 在 C++20 模式下接受这一点，它允许（例如）operator==<T>(a, b) 在模板中使用，即使之前没有将operator== 声明为模板可见。

这是一个更有趣的测试用例：

template <typename T> struct Foo;

#ifdef WRONG_DECL
template <typename T> bool operator==(Foo<T> lhs, int); // #1
#endif

template <typename T> struct Foo {
  friend bool operator==<T>(Foo<T> lhs, float); // #2
};

template <typename T> bool operator==(Foo<T> lhs, float); // #3
Foo<int> f;

对于-DWRONG_DECL，GCC 和 Clang 同意这个程序是错误的：在模板定义的上下文中，对朋友声明 #2 的非限定查找找到了与实例化的不匹配的声明 #1 Foo<int> 的朋友。甚至不考虑声明 #3，因为模板中的非限定查找找不到它。

对于 -UWRONG_DECL，GCC（在 C++17 和更早版本中）和 Clang 同意该程序格式错误的原因不同：在第 2 行对 operator== 的非限定查找一无所获。

但是对于-UWRONG_DECL，C++20 模式下的 GCC 似乎认为 #2 中对 operator== 的非限定查找失败是可以的（可能是由于 P0846R0），然后似乎从模板重做查找实例化上下文，现在发现 #3，违反了模板的正常两阶段名称查找规则。