C++20非类型模板参数绑定类对象到引用：编译器分歧解析

在C++20中，我们尝试通过非类型模板参数将类类型对象绑定到引用，示例代码如下：

struct wrapper {
    int& ref;
    constexpr wrapper(int& ref) : ref(ref) {}
};

template <auto&& X>
void fun1() {}

template <wrapper X>
void fun2() {
    fun1<X>();
}

int main() {
    static int val = 22;
    fun2<val>();
}

其中fun2接受类类型作为按值传递的非类型模板参数，fun1则使用auto&&作为非类型模板参数以支持转发引用任意对象。

这段代码在Clang中可以正常编译，但在GCC中编译失败，错误信息为：

<source>:11:12: error: the address of 'wrapper{val}' is not a valid template argument
   11 |     fun1<X>();
      |     ~~~~~~~^~

编译器行为是否符合标准？ #

Clang的行为符合C++20标准，GCC的报错属于编译器实现bug。

原因分析：

• 类类型作为非类型模板参数的合法性：C++20允许类类型作为非类型模板参数，只要该类型是字面类型（literal type），且所有非静态数据成员为公共、非mutable，且是字面类型的对象或引用。示例中的wrapper是字面类型（拥有constexpr构造函数，成员int&属于允许的字面类型范畴），因此可以作为非类型模板参数。
• 按值传递的类模板参数的属性：当fun2<val>()实例化时，val会隐式构造为wrapper类型的非类型模板参数X，该X是具有静态存储期的对象（标准规定，类类型的非类型模板参数实例会被分配静态存储，生命周期延续至程序结束）。
• auto&&非类型模板参数的绑定规则：fun1的auto&& X作为非类型模板参数，属于引用类型的非类型参数，它可以绑定到具有静态存储期的左值对象。fun2中的X是静态存储期的左值，完全符合绑定要求，因此fun1<X>()是合法的。

GCC错误地将X判定为临时对象，认为其地址无法作为模板参数，但实际上X是静态存储的左值，不存在地址有效性问题。

关于template <const wrapper& X>编译失败的原因 #

当将fun2的模板参数改为const wrapper& X时，无论GCC还是Clang都会编译失败，原因是：
引用类型的非类型模板参数要求实参必须是具有静态存储期的命名左值，而fun2<val>()中val隐式转换生成的wrapper是一个prvalue临时对象，无法绑定到左值引用类型的非类型模板参数。若要使用引用类型的非类型模板参数，必须显式构造一个静态存储期的wrapper对象，例如：

static wrapper w(val);
fun2<w>();

内容的提问来源于stack exchange，提问作者nokz