虚函数模板类中的 std::unique_ptr 不完整类型错误答案

【问题标题】：std::unique_ptr incomplete type error in virtual function template class虚函数模板类中的 std::unique_ptr 不完整类型错误
【发布时间】：2018-03-11 02:08:28
【问题描述】：

我遇到了一个小问题，我现在不明白，也找不到解释。我读到了如何在 PIMPL 成语中使用 std::unique_ptr 并且它可以工作，但是......不是在一种奇怪的情况下，这当然发生在我现在。

最简单的 - 我将展示一个重现问题的简化代码示例（使用 VS2017 社区编译）。

header.h ##

Forward类的Forward声明，模板类TestForward有返回unique_ptr的虚函数。

class Forward;
using TestUniquePtr = std::unique_ptr<Forward>;
TestUniquePtr make_ptr();

template<int a>
class TestForward {

public:
    virtual TestUniquePtr foo();
};

template<int a>
TestUniquePtr TestForward<a>::foo() {
    return make_ptr();
}

forward.h

#include "header.h"
#include <iostream>

class Forward {
public:
    ~Forward() {
        std::cout << "HAAA" << std::endl;
    }
};

forward.cpp

#include "forward.h"

TestUniquePtr make_ptr() {
    return TestUniquePtr{ new Forward };
}

main.cpp

由于“无法删除不完整的类型”而无法编译的文件。请注意，这里甚至没有调用函数 foo。那么编译器应该尝试在这个单元中编译这个函数吗？如果此函数不是虚拟函数或 TestForward 不是模板 - 它可以工作。

#include "header.h"

int main (int argc, char *argv[]) {
    TestForward<3> a;
    return 0;
}

我知道如何解决这个问题 - 通过定义不是模板的删除器，并将其定义写在 forward.cpp 但是.. 我认为这应该可行，所以请帮助我找出为什么模板+虚拟使它成为不工作:(

【问题讨论】：

foo 无论如何都会被实例化以填充 vtable。并且类型Forward 必须在foo 定义处完整，因为它涉及到make_ptr 返回的临时对象的移动和销毁。

标签： c++ templates

【解决方案1】：

这里发生了很多事情，以至于所有的人都在这个错误中发挥作用......

首先，考虑一下：C++ 标准规定，如果你这样做：

struct Incomplete;
void foo(Incomplete* p) { delete p; }

这是合法的，但如果Incomplete 的完整定义结果证明具有非平凡的析构函数，则程序具有未定义的行为。我相信这仅仅是为了与早期的类 C 的 C++ 程序兼容。

因此，为了提高程序的安全性，unique_ptr 的默认删除器使用“安全删除”，即对于不完整类型无法编译的删除器。这意味着unique_ptr 析构函数的实例化必须知道指向类的完整定义。

因此，在您的程序中，任何使用TestUniquePtr 析构函数的代码都必须了解Forward 的完整定义。

TestForward::foo 使用析构函数。 make_ptr 返回一个对象。 foo 移动从这个对象构造它自己的返回值，然后销毁源。（在实际生成的代码中，这很可能被返回值优化优化掉了，但没有它，代码必须仍然有效。）

在哪里/为什么使用TestForward<3>::foo？好吧，因为它是虚拟的，所以无论在哪里实例化类的 vtable，它都必须被实例化。并且由于是模板实例化，所以在调用构造函数的任何地方都会实例化vtable（因为构造函数需要将vtable指针写入对象）。并且构造函数在main中被调用。

如果foo 不是虚拟的，则无需实例化它。如果TestForward 不是模板，我猜你将foo 放入某个单独的源文件而不是标题中，因此main 不会出现错误。

那么你如何解决这个问题？

在典型的 Pimpl 上下文中，您可以通过严格控制谁实例化 unique_ptr 的析构函数来解决此问题。您显式声明接口类的析构函数并将定义放入已知 impl 类定义的源文件中。

但是，如果您想将 unique_ptrs 作为不透明句柄分发给不完整的类，则需要替换默认删除器。

// header.h
class Forward;
struct ForwardDeleter {
  void operator ()(Forward* ptr);
};
using TestUniquePtr = std::unique_ptr<Forward, ForwardDeleter>;

// forward.cpp
class Forward { ... };
void ForwardDeleter::operator ()(Forward* ptr) { delete ptr; }

【讨论】：