为何在MSVC应用的参数化分配器中无法使用T类型非静态数据成员

我写了一个自定义分配器代码，如下：

#include <iostream>
#include <map>
#include <array>
#include <vector>

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

    template<typename X>
    struct rebind
    {
        typedef ContiguousAllocator<X> other;
    };

    ContiguousAllocator() noexcept {}
    template<class U>
    ContiguousAllocator(const ContiguousAllocator<U>&) noexcept
    {
    }

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

private:
    std::vector<T>           v;      // 正常编译
    static T                 t1;     // 正常编译
    static std::array<T, 10> t2;     // 正常编译
    static T                 t3[10]; // 正常编译
    // T                     t4;     // 取消注释触发链接错误
    // std::array<T, 10>     t5;     // 取消注释触发链接错误
    // T                     t6[10]; // 取消注释触发链接错误
};

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

    return 0;
}

只要取消注释任意一行标注// 取消注释触发链接错误的非静态成员，就会弹出如下链接错误：

1>ConsoleApplication1.obj : error LNK2019: unresolved external symbol "struct std::pair<int const ,int> __cdecl std::_Returns_exactly<struct std::pair<int const ,int> >(void)" (??$_Returns_exactly@U?$pair@$$CBHH@std@@@std@@YA?AU?$pair@$$CBHH@0@XZ) referenced in function "public: __cdecl std::_Tree_node<struct std::pair<int const ,int>,void *>::_Tree_node<struct std::pair<int const ,int>,void *>(void)" (??0?$_Tree_node@U?$pair@$$CBHH@std@@PEAX@std@@QEAA@XZ)

测试环境差异：

• GCC、Clang下代码能正常编译运行
• Visual Studio 2022（C++20 x64 Debug配置）和Godbolt上的MSVC都会出现上述链接错误

注：我知道这个分配器本身没法正常做内存分配，但问题出在链接阶段而非运行阶段，这是需要搞清楚的核心点。

问题原因分析 #

这是MSVC标准库的实现细节导致的：当分配器包含非静态的T类型成员时，std::map内部的std::_Tree_node节点类型的默认构造函数会触发std::_Returns_exactly<T>这个内部辅助函数的实例化，但在Debug模式下，MSVC没有为这个函数提供可链接的定义，从而抛出LNK2019未解析符号错误。

而GCC和Clang的标准库实现没有这种依赖逻辑，所以不会触发该错误。

静态成员为何不受影响？ #

静态成员属于类本身，不属于类的实例，编译器在实例化分配器对象时不会触发静态成员的构造逻辑（除非显式引用），因此不会触发MSVC标准库中那些导致链接错误的内部模板实例化流程。而非静态成员属于实例，当std::map的节点类型使用分配器时，会连带触发相关内部逻辑，进而引用到未定义的函数。

临时解决办法 #

如果要在MSVC下避开这个错误，暂时不要在分配器中添加非静态的T类型成员。如果必须存储相关数据，可以改用静态成员，或者把数据放在分配器外部，通过指针或引用访问。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者qloq