为什么<cmath>中的某些函数不在std命名空间中？

Question

我正在开发一个需要使用多种算术类型的项目。因此，我创建了一个头文件，在其中定义了用户自定义算术类型的最小要求：

user_defined_arithmetic.h:

typedef double ArithmeticF;   // The user chooses what type he 
                              // wants to use to represent a real number

namespace arithmetic          // and defines the functions related to that type
{

const ArithmeticF sin(const ArithmeticF& x);
const ArithmeticF cos(const ArithmeticF& x);
const ArithmeticF tan(const ArithmeticF& x);
...
}

令我烦恼的是，当我使用以下代码时：

#include "user_defined_arithmetic.h"

void some_function()
{
    using namespace arithmetic;
    ArithmeticF lala(3);
    sin(lala);
}

我遇到了编译器错误：

error: call of overloaded 'sin(ArithmeticF&)' is ambiguous
candidates are:
double sin(double)
const ArithmeticF arithmetic::sin(const ArithmeticF&)

我从未使用过<math.h>头文件，只使用过<cmath>。我从未在头文件中使用过using namespace std。

我正在使用gcc 4.6.*。我检查了含有模糊声明的头文件是什么，结果是：mathcalls.h:

Prototype declarations for math functions; helper file for <math.h>.
...

我知道，<cmath> 包括 <math.h>，但它应该通过std命名空间来保护声明。我深入研究了 <cmath>头文件并发现：

cmath.h ：

...

#include <math.h>

...

// Get rid of those macros defined in <math.h> in lieu of real functions.
#undef abs
#undef div
#undef acos
...

namespace std _GLIBCXX_VISIBILITY(default)
{
...

所以命名空间std是在包含之后开始的。这里有什么问题吗，还是我理解错了什么？

- Martin Drozdik

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有些事情您可能需要重新考虑：在使用算术类型（整数类型+双精度浮点型+单精度浮点型）时，传值比传引用通常更高效（也更为常见）。当调用希望使用特定版本的函数时，请限定调用，而不是添加 using namespace X。或者，您可以使用using指令（using arithmetic :: sin）。最后，通过编辑“typedef”更改类型的整个方法真的是一个糟糕的想法。 - David Rodríguez - dribeas

@DavidRodriguez-dribeas：谢谢！请问你能给我一个替代方案的提示吗？我正在使用引用传递，因为这个数字可能是自定义类型。这意味着它甚至可以达到几千字节。我希望当我内联函数并在内联中使用std基本函数时，不会有任何问题。或者会有问题吗？你能给我一些建议吗？ - Martin Drozdik

@DavidRodriguez-dribeas：我知道C++的方法是声明一个抽象类，但是我使用的矩阵计算库在使用内置类型时会使用重要的优化。我只是不想失去这个优势。 - Martin Drozdik

你的实现可以是一个只使用特性的模板（无论是否是类，如果问我，自由函数也可以）。你的算法可以适用于任何算术类型，用户代码可以本地决定使用哪种类型，而不必修改typedef。这意味着用户可以知道他们正在使用的类型，而无需在头文件中搜索typedef。此外，你将能够在单个应用程序中使用多种类型。 - David Rodríguez - dribeas

谢谢！我非常重视你的建议！ - Martin Drozdik

另请参阅Jonathan Wakely在Red Hat博客上的文章为什么<cstdlib>比您想象的更复杂。Wakely是GCC开发人员之一，负责维护GNU的C++标准库。他特别讨论了数学函数及其可能引起的问题。简而言之，C++具有重载功能，因此有三个abs、三个log等。这些重载分别是int、double和long double，以适应您的需求。但是C只有每个函数的一个版本。 - jww

Answer 1

C++标准库的实现允许在全局命名空间和std中声明C语言库函数。有些人会认为这是一个错误，因为（正如你发现的那样）命名空间污染可能会与你自己的名称发生冲突。然而，这就是现实，我们必须接受它。你只需要将名称限定为arithmetic::sin。

按照标准的措辞（C++11 17.6.1.2/4）：

  

然而，在C++标准库中，除了作为C宏定义的名称外，声明都在命名空间std的命名空间范围内（3.3.6）。未指定这些名称是否首先在全局命名空间范围内声明并通过显式using-declarations（7.3.3）注入到std命名空间中。

- Mike Seymour

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更糟糕的是，std::exp 有针对浮点数、双精度和整数的重载，而 exp 只适用于双精度。因此，using namespace std; 声明可能会改变结果！ - dhardy

Answer 2

如果你真的想要，你可以总是围绕cmath写一个小包装器，大致如下：

//stdmath.cpp
#include <cmath>
namespace stdmath
{
    double sin(double x)
    {
        return std::sin(x);
    }
}

//stdmath.hpp
#ifndef STDMATH_HPP
#define STDMATH_HPP
namespace stdmath {
    double sin(double);
}
#endif

//uses_stdmath.cpp
#include <iostream>
#include "stdmath.hpp"

double sin(double x)
{
    return 1.0;
}

int main()
{
    std::cout << stdmath::sin(1) << std::endl;
    std::cout << sin(1) << std::endl;
}

我想这可能会产生一些额外的开销，取决于编译器的聪明程度。

- James

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这并不能完全解决问题，考虑 `namespace mylib{ double sin(double x) { return 1.0; } }int main() { using namespace mylib; std::cout << stdmath::sin(1) << std::endl; std::cout << sin(1) << std::endl; }` 你仍然会得到一个“模棱两可的调用错误”。 - alfC

@alfC 不需要。这个答案的重点在于将 <cmath> 包含在 stdmath 的 cpp 文件中，而不是在 hpp 头文件中。 - Ruslan

Answer 3

这只是一个试图解决问题的谦虚尝试。（欢迎提出建议。）

我处理这个问题已经很长时间了。一个问题非常明显的案例是这个：

#include<cmath>
#include<iostream>

namespace mylib{
    std::string exp(double x){return "mylib::exp";}
}

int main(){
    std::cout << std::exp(1.) << std::endl; // works
    std::cout << mylib::exp(1.) << std::endl; // works

    using namespace mylib;
    std::cout << exp(1.) << std::endl; //doesn't works!, "ambiguous" call
    return 0;
}

这在我看来是一个很烦人的bug，或者至少是一个非常不幸的情况。(至少在Linux中使用GCC库时，在GCC和clang中如此。)

最近我又试图解决这个问题。通过查看GCC的cmath头文件，似乎该头文件只是用于重载C函数，并在此过程中损坏了命名空间。

namespace std{
   #include<math.h>
}
//instead of #include<cmath>

有了它，这个就可以工作了

using namespace mylib;
std::cout << exp(1.) << std::endl; //now works.

我几乎可以确定这与 #include<cmath> 不完全相同，但大多数函数似乎都能正常工作。

最糟糕的是，最终某些依赖库将会包含 #inclulde<cmath>。至于这一点，我还没有找到解决方案。 注意：不用说，这根本不起作用。

namespace std{
   #include<cmath> // compile errors
}

- alfC

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在 namespace std 中声明任何东西都是未定义行为。 - Ruslan