requires 子句中不允许哪些替换失败？

Question

如果所有模板参数都是唯一的，我正在尝试编写一个返回 true 的函数。

伪代码：

template<typename... Ts>
auto types_are_unique() -> bool {
  return (no two Ts are the same);
}

我不想“手动”比较每个T，而是想利用一个事实，即如果两个或多个基类相同，则不允许多重继承。

#include <utility>

template <typename T>
struct X {};

template <typename... Ts>
struct Test : X<Ts>... {};

template <typename... Ts>
constexpr auto types_are_unique() -> bool {
  return false;
}

template <typename... Ts>
requires requires { Test<Ts...>{}; }
constexpr auto types_are_unique() -> bool {
  return true;
}

int main() {
  static_assert(types_are_unique<int, float>()); // compiles
  static_assert(not types_are_unique<int, int>()); // fails
}

gcc 和 clang 都同意编译失败是因为 unique.cpp:7:8: error: duplicate base type ‘X<int>’ invalid。

这令人惊讶，阅读https://en.cppreference.com/w/cpp/language/constraints#Requires_expressions

将模板参数替换为模板实体声明中使用的 requires 表达式可能会导致在其需求中形成无效类型或表达式，或违反这些需求的语义约束。在这种情况下， requires-expression 的计算结果为 false，不会导致程序格式错误。

clang 和 gcc 错了吗？还是 cppreference 错了？或者（很可能）我读错了？

requires 表达式中不允许出现哪些类别的替换失败？请参阅当前 C++20 草案的相应部分。

Answer 1

在 requires 表达式中不允许出现哪些类别的替换失败？

和其他地方一样。这实际上并不特定于概念。这是您的示例的略微修改版本，它演示了 C++11 的相同问题：

using size_t = decltype(sizeof(0));

template <typename T>
struct X {};

template <typename... Ts>
struct Test : X<Ts>... {};

template <typename...> struct typelist { };

template <typename... T, size_t = sizeof(Test<T...>)>
constexpr auto types_are_unique(typelist<T...>) -> bool {
    return true;
}
constexpr auto types_are_unique(...) -> bool {
    return false;
}

// ok
static_assert(types_are_unique(typelist<int, float>()));

// compile error
static_assert(not types_are_unique(typelist<int, int>()));

问题与替换的直接上下文中的存在和不存在有关。这是[temp.deduct]/8 中引入的一个术语，但并未真正彻底定义^†：

如果替换导致无效的类型或表达式，则类型推导失败。无效类型或表达式是一种格式错误的类型或表达式，如果使用替换参数编写，则需要进行诊断。 [ 注意：如果不需要诊断，程序仍然是不正确的。访问检查是替换过程的一部分。 — end note ] 只有在函数类型、其模板参数类型及其 explicit-specifier 的直接上下文中的无效类型和表达式会导致推导失败。 [注意：对类型和表达式的替换可能会导致类模板特化和/或函数模板特化的实例化、隐式定义函数的生成等效果。此类效果不在“直接上下文”中，并且可能导致在程序格式不正确。 ——尾注]

一般的想法是，只有声明中的失败会导致替换失败，而定义中的失败会导致硬错误导致程序出错-形成。在此处的示例中，问题不在于 Test<int, int> 的声明，而是在它的定义中（在我们到达其基类的地方）。这被认为太晚了——直接上下文之外的失败不再是替换失败。

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^†我们甚至有一个核心问题 (1844) 要求提供更好的定义。