如何为特定上下文类型重载模板友元函数print且无需在clause.h前置声明？

我有一个名为print的模板友元函数，想针对特定类型的上下文（第一个参数）重载它，同时满足两个条件：

1. 该重载函数同样是clause的友元；
2. 无需在clause.h中前置声明这些上下文类型。

以下是clause类和友元函数的定义：

#include <iostream>

struct clause;

template <typename Context>
void print(const Context &, const clause &c);

struct clause { 
private:
  template <typename Context>
  friend void print(const Context &, const clause &c);

  int i = 8;
};

template <typename Context>
void print(const Context &, const clause &c) { 
  std::cerr << c.i << " friend\n";
}

我希望实现类似如下的功能，但当前代码会失败——因为重载的print不是clause的友元，无法访问私有成员：

#include "clause.h"

class special_context {};

// 失败：这是重载而非特化，无友元权限
void print(const special_context &, const clause &c) {
  std::cerr << c.i << " overload\n"; 
}

解决方案 #

方法一：C++20 下使用auto友元声明 #

修改clause类中的友元声明，使用auto参数匹配任意类型的上下文参数，这样所有符合签名的print重载都会自动成为友元，无需提前声明上下文类型：

#include <iostream>

struct clause { 
private:
  // 匹配任意第一个参数类型的print函数
  friend void print(const auto&, const clause&);

  int i = 8;
};

// 通用模板版本
template <typename Context>
void print(const Context &, const clause &c) { 
  std::cerr << c.i << " friend\n";
}

之后在其他文件中定义重载时，就能正常访问clause的私有成员：

#include "clause.h"

class special_context {};

// 重载函数自动成为友元
void print(const special_context &, const clause &c) {
  std::cerr << c.i << " overload\n"; 
}

方法二：兼容C++11及更早版本的模板特化 #

如果无法使用C++20特性，可以将“重载”改为模板特化，同样无需在clause.h中前置声明上下文类型：

// clause.h 保持原代码不变
#include <iostream>

struct clause;

template <typename Context>
void print(const Context &, const clause &c);

struct clause { 
private:
  template <typename Context>
  friend void print(const Context &, const clause &c);

  int i = 8;
};

template <typename Context>
void print(const Context &, const clause &c) { 
  std::cerr << c.i << " friend\n";
}

在其他文件中编写模板特化：

#include "clause.h"

class special_context {};

// 对special_context的模板特化，拥有友元权限
template<>
void print<special_context>(const special_context &, const clause &c) {
  std::cerr << c.i << " specialization\n"; 
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Rumburak