为何MSVC要求C++分配器必须实现模板构造函数？

在学习C分配器时发现一个差异：MSVC编译器要求自定义分配器必须实现针对不同类型的模板构造函数，但g和clang没有这个强制要求。当省略该构造函数时，使用std::map会触发编译错误，而std::vector可以正常编译。

触发错误的最小代码示例 #

#include <map>
#include <vector>

template<class T>
struct ContiguousAllocator
{
public:
    using value_type = T;

    ContiguousAllocator() noexcept {}
    // 取消注释下面的模板构造函数即可消除错误
    //template<class U>
    //ContiguousAllocator(const ContiguousAllocator<U>& v) noexcept
    //{}
    ~ContiguousAllocator() noexcept
    {}

    T* allocate(std::size_t n)
    {
        return nullptr;
    }

    void deallocate(T* p, std::size_t n) {}
};

template<class T, class U>
constexpr bool operator==(const ContiguousAllocator<T>&, const ContiguousAllocator<U>&) noexcept
{
    return false;
}

template<class T, class U>
constexpr bool operator!=(const ContiguousAllocator<T>&, const ContiguousAllocator<U>&) noexcept
{
    return true;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    std::vector<int, ContiguousAllocator<int>> vector;
    std::map<int, int, std::greater<int>, ContiguousAllocator<std::pair<const int, int>>> map;

    return 0;
}

编译错误信息 #

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): error C2440: 'static_cast': 无法从“ContiguousAllocator<_Newfirst>”转换为“ContiguousAllocator<_Newfirst>”
          with
          [
              _Newfirst=std::_Tree_node<std::pair<const int,int>,void *>
          ]
          和
          [
              _Newfirst=std::_Container_proxy
          ]
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): note: “ContiguousAllocator<_Newfirst>::ContiguousAllocator”: 没有重载函数可以转换所有参数类型
          with
          [
              _Newfirst=std::_Container_proxy
          ]
  C:\User\Code\main.cpp(56): note: 可能是“ContiguousAllocator<_Newfirst>::ContiguousAllocator(const ContiguousAllocator<_Newfirst> &)”
          with
          [
              _Newfirst=std::_Container_proxy
          ]
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): note: “ContiguousAllocator<_Newfirst>::ContiguousAllocator(const ContiguousAllocator<_Newfirst> &)”: 无法将参数 1 从“ContiguousAllocator<_Newfirst>”转换为“const ContiguousAllocator<_Newfirst> &”
          with
          [
              _Newfirst=std::_Container_proxy
          ]
          和
          [
              _Newfirst=std::_Tree_node<std::pair<const int,int>,void *>
          ]
          和
          [
              _Newfirst=std::_Container_proxy
          ]
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): note: 原因: 无法从“ContiguousAllocator<_Newfirst>”转换为“const ContiguousAllocator<_Newfirst>”
          with
          [
              _Newfirst=std::_Tree_node<std::pair<const int,int>,void *>
          ]
          和
          [
              _Newfirst=std::_Container_proxy
          ]
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): note: 没有可用的用户定义转换运算符来执行此转换，或者无法调用该运算符
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): note: 尝试匹配参数列表“(ContiguousAllocator<_Newfirst>)”时
          with
          [
              _Newfirst=std::_Tree_node<std::pair<const int,int>,void *>
          ]
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): note: 模板实例化上下文（最早的优先）是
  C:\User\Code\main.cpp(61): note: 正在编译类模板实例化“std::map<int,int,std::greater<int>,ContiguousAllocator<std::pair<const int,int>>>”
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\map(72): note: 正在编译类模板实例化“std::_Tree<std::_Tmap_traits<_Kty,_Ty,_Pr,_Alloc,false>>”
          with
          [
              _Kty=int,
              _Ty=int,
              _Pr=std::greater<int>,
              _Alloc=ContiguousAllocator<std::pair<const int,int>>
          ]
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1071): note: 正在编译类模板成员函数“std::_Tree<std::_Tmap_traits<_Kty,_Ty,_Pr,_Alloc,false>>::~_Tree(void) noexcept”
          with
          [
              _Kty=int,
              _Ty=int,
              _Pr=std::greater<int>,
              _Alloc=ContiguousAllocator<std::pair<const int,int>>
          ]
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\map(369): note: 在“std::map<int,int,std::greater<int>,ContiguousAllocator<std::pair<const int,int>>>::~map”中第一次引用“std::_Tree<std::_Tmap_traits<_Kty,_Ty,_Pr,_Alloc,false>>::~_Tree”
          with
          [
              _Kty=int,
              _Ty=int,
              _Pr=std::greater<int>,
              _Alloc=ContiguousAllocator<std::pair<const int,int>>
          ]
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1075): error C2530: “_Alproxy”: 引用必须初始化
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1076): error C3536: “_Alproxy”: 在初始化前无法使用
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1076): error C2672: “_Delete_plain_internal”: 未找到匹配的重载函数
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xmemory(1112): note: 可能是“void std::_Delete_plain_internal(_Alloc &,_Alloc::value_type *const ) noexcept”
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1076): note: 未能特化函数模板“void std::_Delete_plain_internal(_Alloc &,_Alloc::value_type *const ) noexcept”
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1076): note: 使用以下模板参数:
  C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\include\xtree(1076): note: “_Alloc=int”

编译参数 #

FAILED: Allocator/CMakeFiles/Allocator.dir/Allocator.cpp.obj 
C:\PROGRA~1\MICROS~2\2022\COMMUN~1\VC\Tools\MSVC\1440~1.338\bin\Hostx64\x64\cl.exe  /nologo /TP   /DWIN32 /D_WINDOWS /W3 /GR /EHsc /MDd /Ob0 /Od /RTC1 -std:c++20 -ZI /showIncludes /FoAllocator\CMakeFiles\Allocator.dir\Allocator.cpp.obj /FdAllocator\CMakeFiles\Allocator.dir\ /FS -c C:\User\Code\Allocator\Allocator\Allocator.cpp

解决方法与原因 #

取消注释代码中针对U类型的模板构造函数，即可消除编译错误。

本质原因是：MSVC的STL实现（比如std::map底层的_Tree结构）在内部会使用不同类型的分配器实例——比如分配树节点的分配器和分配内部代理对象的分配器，需要通过模板构造函数来完成不同实例之间的转换。这其实符合C++标准对分配器的可转换性要求：标准规定，分配器类型必须支持从同模板的其他实例构造，而模板构造函数是实现这一点的常规方式。

g和clang的STL实现可能在内部做了兼容处理，或者对分配器转换的要求更宽松，但严格来说，实现这个模板构造函数是符合C标准的规范做法。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者qloq