C++ 类模板中的友元比较和关系运算符答案

【问题标题】：Friend comparison and relational operators in C++ class templateC++ 类模板中的友元比较和关系运算符
【发布时间】：2016-11-28 12:10:19
【问题描述】：

来自 Lippman 等人的 C++Primer 第 5 版，第 16.1.2 节：

//forward declarations needed for friend declarations in Blob
template <typename> class BlobPtr;
template <typename> class Blob;
template <typename T> bool operator==(const Blob<T>&, const Blob<T>&)

template <typename T> class Blob {
   friend class BlobPtr<T>;
   friend bool operator==<T>(const Blob<T>&, const Blob<T>&);
}

第一个问题：在行中

friend bool operator==<T>(const Blob<T>&, const Blob<T>&);

为什么<T> 出现在== 之后？为什么不简单地写

friend bool operator==(const Blob<T>&, const Blob<T>&);

我添加了以下代码来定义 operator== 并实例化类模板。它成功编译并链接：

template <typename T>
bool operator==(const Blob<T> &lhs, const Blob<T> &rhs) {return true;}

int main() {
    Blob<int> a, b;
    a == b;
}

如果我在朋友声明中删除operator== 之后的<T>，我会收到链接器错误：

Undefined symbols for architecture x86_64: "operator==(Blob<int> const&, Blob<int> const&)", referenced from: _main in partial_blob-3ccda9.o

显然<T> 跟在operator== 后面是必须的，但为什么呢？

第二个问题：如果我想为同一个类定义关系小于运算符<，我猜我应该遵循适用于==的模式：

1) 前向声明操作符

2) 将运算符声明为朋友，插入附加的<T>，其功能我不明白

3) 定义类外的操作符。

因此我添加以下代码：

template <typename T> bool operator<(const Blob<T>&, const Blob<T>&);
template <typename T> class Blob {
   //other members as before
   friend bool operator<<T>(const Blob<T>&, const Blob<T>&);
}
bool operator<(const Blob<T>&, const Blob<T>&) {return true;}
int main() {
   //other statements as before
   a < b;
}

这会在operator<<T> 附近产生编译错误，我认为是因为编译器将<< 解释为插入运算符。但是如果我将朋友声明重写为

friend bool operator<(const Blob<T>&, const Blob<T>&);

然后我收到一个链接器错误，类似于之前== 的链接器错误：

"operator<(Blob<int> const&, Blob<int> const&)", referenced from: _main in partial_blob-a85d5d.o

我怎样才能成功地为这个类定义运算符<？

（注意：运算符必须声明为友元，因为更全面的实现依赖于私有变量。）

【问题讨论】：

记住这样声明的友元函数不是成员函数，它们是非成员函数，没有<T>，函数是不完整的。至于operator<<T>，请尝试在操作员名称和模板之间添加一个空格，例如operator< <T>。
关于未定义的引用及其原因和解决方案（如您所知）； stackoverflow.com/a/35891188/3747990
@JoachimPileborg - 您能否提供此语法介绍的参考？我什至不知道它叫什么，所以我很难找到它。是模板专业化吗？显式实例化？对这些字词的网络搜索没有产生有用的结果。

标签： c++ templates operator-overloading friend

【解决方案1】：

我正在发布我自己的答案，感谢 Joachim Pileborg 和 songyuanyao 的指导。

我已简化代码以仅关注问题 1。 Pileborg 和 Holt 正确地指出，重载 < 只需要一个空间来帮助编译器解析。

template <typename> class Blob;
template <typename T> bool operator==(const Blob<T>&, const Blob<T>&); //line 2

template <typename T> class Blob {
   friend bool operator==(const Blob<T>&, const Blob<T>&); //line 5
};

template <typename T>
bool operator==(const Blob<T> &lhs, const Blob<T> &rhs) {return true;} //line 9

int main() {
    Blob<int> a, b; //line 12
    a == b; //line 13
}

此代码在链接时产生错误。要了解原因，我们将从标准中查看相关语言。

来自 C++14 标准 n4296, 14.5.4（此处使用的术语摘要见底部）。

对于不是模板声明的友元函数声明：

(1.1) — 如果朋友的名字是一个合格或不合格的模板ID，朋友声明是指一个函数模板的特化，否则，

(1.2) — 如果朋友的名字是一个qualified-id并且在指定的类或命名空间中找到一个匹配的非模板函数，朋友声明引用那个函数，否则，

(1.3) — 如果朋友的名字是一个限定 ID 并且在指定的类或命名空间中找到了一个匹配的函数模板，朋友声明引用了该函数模板的推导特化 (14.8.2.6)，否则，

(1.4) — 名称应为声明（或重新声明）非模板函数的非限定 ID。

现在我们看第 5 行的朋友声明，根据上面列出的四个步骤确定它所指的内容。

(1.1) == 不是模板 ID；继续……

(1.2) == 不是合格ID；继续……

(1.3) == 不是合格ID；继续……

(1.4) 因此，== 是一个非限定 ID，它声明（或重新声明）一个非模板函数。

根据标准的第 7.3.3 节，朋友== 被声明在最内层的封闭命名空间中——在本例中为全局命名空间。

当我们在第 12 行实例化 Blob<int> 时，编译器通过用 int 替换类 Blob 中所有出现的 T 来生成源代码。编译器生成的代码中的友元声明如下：

friend bool operator==(const Blob<int>&, const Blob<int>&);

因此，我们在全局命名空间中声明了operator== 的（非模板）重载，参数类型为const Blob<int>&。

在第 12 行调用 a == b 时，编译器开始重载解析过程。它首先查找与参数类型匹配的任何非模板重载。它以operator== 的形式在Blob<int> 被实例化时声明完美匹配。然后链接器查找与最佳匹配声明相对应的operator== 的定义，但没有找到，因为operator==(const Blob<int>&, const Blob<int>&) 从未真正定义过！

解决方案是在朋友声明中使用模板ID（不是模板声明）作为名称：

friend bool operator== <>(const Blob<T>&, const Blob<T>&)

或

friend bool operator== <T>(const Blob<T>&, const Blob<T>&)

operator== <> 和 operator== <T> 都是模板 ID（参见下面的术语）；前者有一个从函数形参列表推导出来的隐式模板形参列表，后者有一个显式的模板形参列表。

当Blob<int> 在第 12 行被实例化时，编译器为朋友声明生成以下代码：

friend bool operator== <>(const Blob<int>&, const Blob<int>&)

或

friend bool operator== <int>(const Blob<int>&, const Blob<int>&)

在任何一种情况下，朋友的名字都是一个不合格的模板ID，所以根据上面的（1.1），朋友声明是指一个函数模板的特化。然后编译器查找并找到与请求的<int> 特化的最佳模板匹配。它找到的唯一模板是在第 2 行中声明并在第 9 行中定义的模板，它会根据需要调用该模板。

术语

qualified-id：带有附加范围运算符的标识符，例如std::string 或 ::i

unqualified-id：没有附加范围运算符的标识符，例如string 或 i。

template-id：以下摘录（来自 C++14 标准 n4296, 14.2）总结了 template-id 的结构：

简单模板ID：

 template-name < template-argument-list (opt)>

模板 ID：

 simple-template-id

 operator-function-id < template-argument-listopt >

 literal-operator-id < template-argument-listopt>

模板名称：

 identifier

因此，一些模板 ID 将包括 Foo<T> 和 ==<T>。（== 是一个操作符函数 ID）。请注意，与模板声明不同，template <> 不包含在模板 ID 表达式中。

【讨论】：

【解决方案2】：

为什么<T> 出现在== 之后？显然<T> 跟在operator== 后面是必须的，但为什么呢？

因为友元声明中的operator== 是指函数模板，所以必须明确指定。否则会声明一个非模板函数，但后面找不到它的定义。和函数模板的调用（和实例化）不是同一个场景。

注意T 可以省略，但<> 仍然需要。如：

// refers to a full specialization of operator==
friend bool operator== <>(const Blob<T>&, const Blob<T>&);

另一种候选方法是在类声明中定义运算符，该运算符将是内联的，并且可以声明为非模板函数。如：

template <typename T> class Blob {
   ...
   friend bool operator==(const Blob&, const Blob&) { 
       return ...;
   }
}

这会在operator<<T> 附近产生编译错误

如你所说，应该写成friend bool operator< <T>(...)，或者friend bool operator< <>(...)，或者看我关于非模板函数朋友的建议。

【讨论】：

【解决方案3】：

第一个问题：一行
friend bool operator==<T>(const Blob<T>&, const Blob<T>&);
为什么<T> 出现在== 之后？为什么不简单地写
friend bool operator==(const Blob<T>&, const Blob<T>&);

如果你删除了<T>，gcc 会给出警告：

警告：朋友声明 'bool operator==(const Blob< <template-parameter-1-1> >&, const Blob< <template-parameter-1-1> >&)' 声明了一个非模板函数 [-Wnon-template-friend]

您正在使非模板化函数成为您班级的朋友，因此编译器/链接器将在您的情况下寻找非模板化函数：

bool operator==(const Blob<int>&, const Blob<int>&);

...它不存在，因此链接器找不到它。

如果您不添加<T>（或<> 到friend 声明），则必须为每种类型定义一个函数，这可能不是您想要的。

第二个问题：如果我想为同一个类定义关系小于运算符

这是C++代码解析方式的一个简单问题，需要在operator<和<<之间插入一个空格。这与 C++11 之前存在的问题相同，由于 >>，您必须使用 vector<vector<int> > 而不是 vector<vector<int>>。

【讨论】：