为什么别名模板会造成冲突声明？

Question

将某些C++11代码从Clang移植到g++的端口。

template<class T>
using value_t = typename T::value_type;

template<class>
struct S
{
    using value_type = int;
    static value_type const C = 0;
};

template<class T> 
value_t<S<T>> // gcc error, typename S<T>::value_type does work
const S<T>::C;

int main() 
{    
    static_assert(S<int>::C == 0, "");
}

对于任何g++版本，我会遇到像这样的错误，而对于Clang（3.1到SVN trunk版本），则会出现不同的行为。

prog.cc:13:13: error: conflicting declaration 'value_t<S<T> > S< <template-parameter-1-1> >::C'
 const S<T>::C;
             ^
prog.cc:8:29: note: previous declaration as 'const value_type S< <template-parameter-1-1> >::C'
     static value_type const C = 0;
                             ^
prog.cc:13:13: error: declaration of 'const value_type S< <template-parameter-1-1> >::C' outside of class is not definition [-fpermissive] const S<T>::C;

如果我使用完整的 typename S<T>::value_type 代替模板别名 value_t<S<T>>，那么g++也可以工作。

问题: 模板别名不应该完全可以与其基础表达式互换吗？这是g++的错误吗？

更新: Visual C++在类外定义中也接受模板别名。

- TemplateRex

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看起来它们应该是等价的：http://eel.is/c++draft/temp.alias#2 - Barry

我选择编译器错误，500分，Alex。 - AndyG

我认为这不是那么简单的问题。关于别名模板中依赖类型的等价性存在很多问题。请参见http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/cwg_active.html#1979以及所有与其相关联的问题。回答应该涵盖这个问题以及这些问题对此的相关性，我个人认为这很重要。 - Johannes Schaub - litb

但这还不止。关于typename S<T>::value_type的用法是否有效以及您可以替代它写什么，存在一个古老的问题：http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/cwg_active.html#2。 - Johannes Schaub - litb

我认为在编译器中，别名模板会在进行14.5.6.1p5的“等效”检查之前被替换。因此，即使涉及依赖类型，“value_t<foobar>”应该等同于“foobar::value_type”。这也是Barry引用的段落所说的（它使用“等效”，虽然没有脚注到14.5.6.1p5，这可能说明它指的是“等效”的那个含义）。 - Johannes Schaub - litb

Answer 1

这个问题涉及到SFINAE。如果你将成员函数重写为value_t<S<T>>，就像外部声明一样，那么GCC将会很愉快地编译它。

template<class T>
struct S
{
    using value_type = int;
    static const value_t<S<T>> C = 0;
};

template<class T> 
const value_t<S<T>> S<T>::C;

因为表达式现在已经 功能上等同。例如，对于别名模板会涉及到 替换失败(substitution failure)，但是正如你所看到的，成员函数 value_type const C 的“原型”并不同于 value_t<S<T>> const S<T>::C。第一个不必执行 SFINAE，而第二个则需要执行。因此，两个声明显然具有不同的功能，这就是GCC的问题所在。

有趣的是，Clang编译它时没有任何异常迹象。我想这只是碰巧Clang分析顺序与GCC相反。一旦别名模板表达式被解析并且良好 (即它是well-formed)，clang将比较两个声明并检查它们是否等效 (在本例中，给定两个表达式都解析为value_type)。

现在，从标准的角度来看，哪一个是正确的？关于是否将别名模板的SFNIAE视为其声明的功能的问题仍未解决。引用[temp.alias]/2:

当一个模板ID引用了别名模板的特化时，它等同于在类型ID中使用模板参数替换模板参数后获得的相关联类型。

换句话说，这两者是等价的:

template<class T>
struct Alloc { /* ... */ };

template<class T>
using Vec = vector<T, Alloc<T>>;

Vec<int> v;
vector<int, Alloc<int>> u;

Vec<int>和vector<int，Alloc<int>>是等效的类型，因为在替换完成后，两种类型最终都变成了vector<int，Alloc<int>>。注意，“替换完成后”意味着只有当所有模板参数都被替换为模板参数时才检查等价性。也就是说，在vector<T，Alloc<T>>中的T被替换为Vec<int>中的int之后才开始比较。也许这就是Clang对value_t<S<T>>所做的事情？但是接下来有以下[temp.alias]/3的引用：

However, if the template-id is dependent, subsequent template argument substitution still applies to the template-id. [Example:

template<typename...> using void_t = void;
template<typename T> void_t<typename T::foo> f();
f<int>(); // error, int does not have a nested type foo

 — end example]

这里的问题在于：表达式必须是良构的，因此编译器需要检查替换是否正确。当存在依赖关系以执行模板参数替换（例如typename T::foo）时，整个表达式的功能会改变，并且“等价性”的定义也会有所不同。例如，以下代码无法编译（GCC和Clang）：

struct X
{
    template <typename T>
    auto foo(T) -> std::enable_if_t<sizeof(T) == 4>;
};

template <typename T>
auto X::foo(T) -> void
{}

因为外部的foo的原型与内部的不同。使用auto X::foo(T) -> std::enable_if_t<sizeof(T) == 4>可以使代码编译成功。这是因为foo的返回类型是一个表达式，它依赖于sizeof(T) == 4的结果，所以在模板替换后，其原型可能与每个实例不同。而auto X::foo(T) -> void的返回类型永远不会改变，这与X中的声明冲突。这与您的代码发生的问题完全相同。因此，在这种情况下，GCC似乎是正确的。

- Mário Feroldi