clang和gcc在处理模板生成和静态constexpr成员时有不同的行为

clang and gcc different behavior when handling template generation and static constexpr members?

本文关键字：成员 constexpr 静态 处理 gcc clang      更新时间：2023-10-16

考虑以下程序（很抱歉长度太长；这是我能想到的表达问题的最短方法）：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <typeindex>
using namespace std;
std::vector<std::type_index>&
test_vector()
{
  static std::vector<std::type_index> rv;
  return rv;
}
template <typename T>
class RegistrarWrapper;
template<typename T>
class Registrar
{
  Registrar()
  {
    auto& test_vect = test_vector();
    test_vect.push_back(std::type_index(typeid(T)));
  }
  friend class RegistrarWrapper<T>;
};
template <typename T>
class RegistrarWrapper
{
  public:
    static Registrar<T> registrar;
    typedef Registrar<T> registrar_t;
};
template <typename T>
Registrar<T> RegistrarWrapper<T>::registrar;

template <typename T>
class Foo
{
  public:
    // Refer to the static registrar somewhere to make the compiler
    // generate it ?!?!?!?
    static constexpr typename RegistrarWrapper<Foo<T>>::registrar_t& __reg_ptr =
      RegistrarWrapper<Foo<T>>::registrar;
};

int main(int argc, char** argv)
{
  Foo<int> a;
  Foo<bool> b;
  Foo<std::string> c;
  for(auto&& data : test_vector()) {
    std::cout << data.name() << std::endl;
  }
}

当使用clang++（3.5.2版，当然还有-std=c++11版）编译时，该程序输出（通过c++filt管道传输以便于阅读）：

Foo<int>
Foo<bool>
Foo<std::__1::basic_string<char, std::__1::char_traits<char>, std::__1::allocator<char> > >

但对于g++（尝试过版本4.8.5、4.9.3和5.2.0），它什么都不输出！这是怎么回事？哪个编译器符合c++标准？如何以编译器无关的方式（最好没有任何运行时开销）创建这种效果？

首先，介绍几个解决方案。对于这两者，关键部分是从保证实例化的代码中获取registrar的地址。这确保了静态成员的定义也被实例化，从而触发副作用。

第一个依赖于这样一个事实，即Foo的每个专门化的默认构造函数的定义都是实例化的，以处理main:中a、b和c的默认初始化

template<typename T> class Foo
{
public:
   Foo() { (void)&RegistrarWrapper<Foo<T>>::registrar; }
};

缺点是这引入了一个非平凡的构造函数。避免此问题的替代方案如下：

template<class T> constexpr std::size_t register_class() 
{ 
   (void)&RegistrarWrapper<T>::registrar; 
   return 1; 
}
template<typename T> class Foo
{
   static char reg[register_class<Foo<T>>()];
};

这里的关键是在静态成员的声明中触发实例化，而不依赖于任何初始化器（见下文）。

这两种解决方案在Clang 3.7.0、GCC 5.2.0和Visual C++2015中运行良好，无论是否启用了优化。第二个使用了constexpr函数的扩展规则，这是C++14的一个特性。当然，如果需要的话，有几种简单的方法可以使它符合C++11。

我认为您的解决方案的问题是，如果__reg_ptr的值没有在某个地方使用，就不能保证它的初始值设定项会被实例化。N4527:的一些标准报价

14.7.1p2：

[…]静态数据的初始化（以及任何相关的副作用）除非静态数据成员本身在一种要求静态数据成员的定义存在的方式。

这并没有完全解决constexpr的情况，因为（我认为）它谈论的是odr使用的静态数据成员的类外定义（它与registrar更相关），但它很接近。

14.7.1p1:

[…]类模板专门化的隐式实例化导致声明的隐式实例化，而不是的定义、默认参数或异常规范类成员函数、成员类、作用域成员枚举，静态数据成员和成员模板〔…〕

这保证了第二种解决方案的有效性。请注意，它不能保证静态数据成员的类内初始值设定项的任何内容。

constexpr构造的实例化似乎存在一些不确定性。还有CWG 1581，它与我们的案例没有太大的关系，只是在最后，它谈到了一个事实，即constexpr实例化是在常量表达式求值过程中还是在解析过程中发生尚不清楚。这方面的一些澄清可能也会为您的解决方案提供一些保证（无论哪种方式…），但我们必须等待。

第三种变体：使解决方案发挥作用的方法是显式实例化Foo的专业化，而不是依赖于隐式实例化：

template class Foo<int>;
template class Foo<bool>;
template class Foo<std::string>;
int main()
{
   for(auto&& data : test_vector()) {
      std::cout << data.name() << std::endl;
   }
}

这也适用于所有三个编译器，并且依赖于14.7.2p8:

命名类模板专门化的显式实例化也是同类的显式实例化（声明或定义）〔…〕

假设这些都是显式实例化定义，这似乎足以说服GCC实例化__reg_ptr的初始化器。然而，这些显式实例化定义在整个程序中只能出现一次（[14.7p5.1]），因此需要格外小心。我认为前两种解决方案更可靠。

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