防止使用不完整类型实例化模板类

Question

我正在编写一个库。它的布局看起来类似于这样：

/////////
// A.h //
/////////

#include <vector>

class B;

class A
{
    std::vector<B> Bs;

public:
    ...
};

/////////
// B.h //
/////////

class B
{
    ...
}

///////////
// A.cpp //
///////////

#include "A.h"
#include "B.h"

// Implementation of A follows
...

///////////
// B.cpp //
///////////

#include "B.h"

// Implementation of B follows
...

/////////////
// MyLib.h //
/////////////

#include "A.h"

如您所见，唯一可从外部访问的类型应该是A，这就是为什么B 在A.h 中被声明为不完整类型。该库本身编译得很好，但是在程序中使用它时，编译器会发出如下错误：invalid use of incomplete type B 当我尝试创建A 类型的对象时。这些错误指向vector 标头，特别是std::vector 的析构函数，它显然需要知道它持有的类型的大小才能正确释放内部存储。我认为正在发生的是编译器试图在我的程序中实例化std::vector<B>::~vector，由于上述原因而无法成功。但是，库的二进制文件中有std::vector<B>::~vector 的符号，所以我可以不用在程序中实例化它。我正在寻找一种方法来告诉编译器。我已经尝试将MyLib.h 更改为如下内容：

/////////////
// MyLib.h //
/////////////

#include "A.h"
extern template class std::vector<B>;

不幸的是这不起作用，因为extern仅适用于编译的代码生成阶段，编译器在解析时仍然会报告错误。我想也许编译器正在尝试实例化std::vector<B>::~vector，因为A 有一个隐式析构函数，所以我尝试像这样手动实现一个析构函数：

/////////
// A.h //
/////////

#include <vector>

class B;

class A
{
    std::vector<B> Bs;
    ~A();

public:
    ...
};

///////////
// A.cpp //
///////////

#include "A.h"
#include "B.h"

A::~A() {}

// Further implementation of A follows
...

这也无济于事，编译器仍在尝试实例化std::vector<B>::~vector，即使现在不应在库代码之外调用它。是否有不同的方法来实现我想要的，或者最好为B 选择不同的信息隐藏方法？

Answer 1

不要试图显式地阻止未定义类型的实例化，让编译器完成它的工作。如果您尝试手动阻止未定义类型的实例化，则可能会违反 ODR，更多信息请查看此处if-else depends on whether T is a complete type

您可以将向量中的值转储到unique_ptrs 中以添加一个间接层。有关unique_ptr 如何处理不完整类型的更多信息，请查看此处std::unique_ptr with an incomplete type won't compile 例如

main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

#include "something.hpp"

using std::cout;
using std::endl;

int main() {

    Something something;

    return 0;
}

something.hpp

#pragma once

#include <vector>
#include <memory>

class Incomplete;
class Something {
public:
    Something();
    ~Something();
    std::vector<std::unique_ptr<Incomplete>> incompletes;
};

something.cpp

#include "something.hpp"

class Incomplete {};

Something::Something() {}
Something::~Something() {}

---

还可以考虑阅读这篇博文http://www.gotw.ca/gotw/028.htm，如果您反对，它概述了动态分配的替代方案

Answer 2

注意，可能的黑暗魔法： I am not sure whether（或从什么时候开始）允许 - 根据标准 - 定义成员 std::vector<T> 具有不完整类型 T 如果没有向量成员函数（包括构造函数和析构函数）从当前翻译单元引用。不过，我认为 C++17 允许这样做。

从 C++11 开始编译的一种可能性（尽管它可能是非法的，见上文）是使用 union 成员来避免调用构造函数以及 @ 的析构函数987654325@会员：

struct Hidden;

struct Public {
    union Defer {
        std::vector<Hidden> v;
        Defer();
        // add copy/move constructor if needed
        ~Defer();
    } d;
};

现在，在您的实现文件中，您可以（并且必须）实际调用向量的构造函数和析构函数：

struct Hidden { /* whatever */ };
Public::Defer::Defer() { new (&v) std::vector<Hidden>(); }
Public::Defer::~Defer() { v.~vector<Hidden>(); }

当然，以任何方式使用成员d.v 都需要Hidden 的定义。因此，您应该将此类用途限制为Public 的（非inline）成员函数，您在可以访问Hidden 完整定义的文件中实现这些函数。

Answer 3

您需要为向量提供足够的空间，并且我所知道的每个实现中的所有向量都占用相同的空间，无论它们存储什么。

我们可以利用这一点，同时断言我们是对的。

struct A {
  std::aligned_storage_t<sizeof(std::vector<int>), alignof(std::vector<int>)> v;
  A();
  ~A();
};

在 A.cpp 中

#include<b.h>
static_assert(sizeof(std::vector<B>)==sizeof(std::vector<int>), "size mismatch");
static_assert(alignof(std::vector<B>)==alignof(std::vector<int>), "align mismatch");

std::vector<B>& get_v(A& a){ return *(std::vector<B>*)&a.v; }
std::vector<B> const& get_v(A const& a){ return *(std::vector<B> const*)&a.v; }

A::A(){
  ::new ((void*)&v) std::vector<B>();
  try{
    // rest of ctor
  }catch(...){
    get_v(*this).~std::vector<B>();
    throw;
  }
}
A::~A(){
  get_v(*this).~std::vector<B>();
}

还要手动写copy/move ctor/assign。

我们也许可以自动执行此操作，但这很棘手；我们希望我们实际上是 B 的向量这一事实仅导致在 A.cpp 中创建代码，别无他处。