当专门化静态constexpr模板成员时，会出现未定义的引用错误。

Question

以下代码会出现未定义的引用链接错误：

template<int>
struct X {
    static constexpr int x = 0;
};

template<>
constexpr int X<1>::x;

int main() 
{   
    return X<1>::x;
}

但我不知道确切的原因。

是否可以定义一个数据成员而不必专门化整个模板？

明确一点：这段代码可以编译通过，但会产生链接错误（未定义引用）。

- wimalopaan

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也许你的“与”问题应该是主要问题。 - DeiDei

是的，已编辑；-) - wimalopaan

Answer 1

能否在不对整个模板进行[特化]的情况下定义数据成员？

可以显式特化类模板的static数据成员([temp.expl.spec])，但是如果你想这样做，你不能已经在类模板内部为该成员指定了初始化程序(class.static.data)。

也就是说，如果我们将constexpr替换为const，那么这段代码就没问题了：

template<int>
struct X {
    static const int x;
};

template<int I>
const int X<I>::x = 0;

template<>
const int X<1>::x = 1;

但是这段代码并不好：

但是这段代码并不好： NOT 。

template<int>
struct X {
    static const int x = 0;
};

template<>
const int X<1>::x = 1;

您可以看到，我们初始化主模板变量的区别在于哪里。

现在，如果我们希望将 const 替换为 constexpr ，那么我们必须提供一个初始化程序（class.static.data）：

文字类型的静态数据成员可以在类定义中使用 constexpr 说明符声明；如果这样做，则它的声明应指定一个花括号或等号初始化程序，在其中每个分配表达式的初始化器子句都是常量表达式。

所以我们最终陷入了这种奇怪的情况：我们可以专门化 static 成员，但如果它是 constexpr ，则不能，因为 constexpr 需要一个初始化程序。在我看来，这是标准的缺陷。

然而，似乎并不是所有的现代编译器都同意这一点。

gcc 8.0.0编译（但不链接）您的代码（错误），但是如果您为专业化添加初始化程序，则会抱怨重复初始化（正确）。

clang 6.0.0不会按原样编译代码（正确），但是当您添加初始化程序时，它可以无障碍地工作（错误，但这可能是标准应该规定的内容）。

MSVC 19.00.23506不会按原样编译代码（正确），并且当您添加初始化程序时，它也不会编译代码（抱怨重定义）（正确）。

最终，将专业化推入辅助Traits类可能更容易一些：

template<int>
struct X_Traits{
    static constexpr int value = 0;
};

template<>
struct X_Traits<1>{
    static constexpr int value = 1;
};

template<int I>
struct X {
    static constexpr int x=X_Traits<I>::value;
    // ...
};

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在C++17及以上版本中，我们可以使用constexpr if来避免需要专门化特性类：

template<int I>
struct X_Traits{
    static constexpr int get_value(){
        if constexpr(I==1){
            return 1;
        }else{
            return 0;
        }
    }
};

template<int I>
struct X {
    static constexpr int x=X_Traits<I>::get_value();
    // ...
};

int main(){
    static_assert(X<0>::x == 0);
    static_assert(X<1>::x == 1);
}

- AndyG

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但这并不能解释为什么上面的代码可以编译通过，但会出现链接器错误。 - wimalopaan

@wimalopaan：上述代码似乎可以在gcc中编译（一个错误），但在clang或msvc中无法编译。我的意思是，该代码形式不正确，因为它试图重新定义现有的“static constexpr”成员（“无法特化模板类的单个成员”）。 - AndyG

但是StoryTeller从C++标准中给我们的摘录明确提到了特化。因此，单个成员的特化一定是可能的吗？还是我对上面标准的引用理解有误？ - wimalopaan

@wimalopaan：我认为你读得很正确。我觉得我的措辞需要改进。你可以为几乎任何事情提供完全显式的特化。 - AndyG

好的，谢谢。我刚刚更深入地查看了http://en.cppreference.com/w/cpp/language/template_specialization，现在我明白了。 - wimalopaan

Answer 2

你因显式特化而遇到了一个“小”问题。如果我们参考[temp.expl.spec]/13：

An explicit specialization of a static data member of a template or an explicit specialization of a static data member template is a definition if the declaration includes an initializer; otherwise, it is a declaration. [ Note: The definition of a static data member of a template that requires default-initialization must use a braced-init-list:

template<> X Q<int>::x;                         // declaration
template<> X Q<int>::x ();                      // error: declares a function
template<> X Q<int>::x { };                     // definition

 — end note ]

意思是你声明了 X<1>::x 存在，但没有定义它。因此它是未定义的。

我觉得很疯狂的是，你的编译器竟然接受这个声明。一般情况下，你不能声明 constexpr 变量而不定义它们。这非常奇怪。

- StoryTeller - Unslander Monica

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@AndyG - 这令人失望。确实，这是两个相互对立的力量（专业化是一个声明，constexpr需要一个初始化器），但协调起来不应该那么难。 - StoryTeller - Unslander Monica

似乎是语言缺陷？ - wimalopaan

@wimalopaan - 我不确定这是语言缺陷。规则并不是真正互相排斥的。我认为这是实现质量问题。这是一个尝试声明但不初始化constexpr变量的方法。因此应该有诊断。如果您对其进行初始化，则是定义，因此程序应该是良好形式的。故事结束。 - StoryTeller - Unslander Monica

@StoryTeller：稍微看一下class.static.data就会更加混淆。在C++11中，static constexpr成员仍然必须在命名空间范围内定义，但不需要初始化，而OP却没有这样做。这在C++17中已经被弃用。 - AndyG

@AndyG - 嗯，弃用是因为在C++17中static constexpr成员变成了隐式的inline。 - StoryTeller - Unslander Monica

Answer 3

like this.

template<int i>
struct X {
    static constexpr int x = i==0?2:10;
};

int main() 
{   
    return X<1>::x;
}

请注意，您不需要在类外部定义它。

- apple apple

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是的，我知道。但我想知道上述错误的根本原因。 - wimalopaan

很好地利用了常量表达式来初始化成员变量！如果想要为多个值进行特化，可能会有些复杂，但我喜欢这种简单的方式。 - AndyG