g++与clang++模板初始化行为差异原因及代码修复方案

报错原因 #

问题出在模板函数的声明顺序与依赖查找(ADL)的严格性差异：

• 你先定义了vector<T>的operator<<模板，之后才定义array<T,C>的operator<<模板。
• 当实例化operator<<<vector<array<int,2>>>（打印外层vector）时，代码里需要调用out << vec[i]，这里的vec[i]是array<int,2>类型。
• 根据C++标准，模板实例化时，依赖模板参数的函数调用会先通过参数依赖查找(ADL) 匹配函数，但我们自定义的operator<<不在std命名空间（array属于std，但我们的运算符是全局的），所以ADL找不到。
• 此时编译器会检查模板定义点是否有可见声明：vector的operator<<定义时，array的operator<<还没声明，clang严格遵循标准报错；而g做了非标准的宽松处理，允许查找模板实例化点的声明，所以能编译通过。

修复方案 #

两种简单修复方式任选其一即可：

方案1：前置声明array的operator<<模板 #

在定义vector的operator<<之前，先声明array的operator<<模板，让编译器处理vector模板时知晓该函数存在：

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

// 前置声明array的operator<<模板
template <class T, std::size_t C> std::ostream &operator<<(std::ostream &out, const std::array<T, C> &arr);

// 定义vector的operator<<
template <typename T> std::ostream &operator<<(std::ostream &out, const std::vector<T> &vec)
{
    if (vec.empty()) {
        out << "[]";
        return out;
    }
    out << '[';
    for (int i = 0; i < vec.size() - 1; i++) {
        out << vec[i] << ", ";
    }
    return out << vec.back() << ']';
}

// 定义array的operator<<
template <class T, std::size_t C> std::ostream &operator<<(std::ostream &out, const std::array<T, C> &arr)
{
    if (arr.empty()) {
        out << "<>";
        return out;
    }
    out << '<';
    for (int i = 0; i < arr.size() - 1; i++) {
        out << arr[i] << ", ";
    }
    return out << arr.back() << '>';
}

#include <string>
#define dbg(...) logger(__LINE__, #__VA_ARGS__, __VA_ARGS__)
template <typename... Args> void logger(int line, std::string vars, Args &&...values)
{
    std::cerr << "Ln " << line << ": " << vars << " = ";
    std::string delim = "";
    (..., (std::cerr << delim << values, delim = ", "));
    std::cerr << std::endl, std::cerr.flush();
}

using namespace std;

int main()
{
    using a2i = array<int, 2>;
    using va2i = vector<a2i>;
    using a4v = array<va2i, 4>;
    
    a4v a4;
    a4[0].push_back({3, 5});
    a4[1].push_back({9, 8}), a4[1].push_back({1, 2});
    
    dbg(a4);

    return 0;
}

方案2：调换两个operator<<的定义顺序 #

直接先定义array的operator<<，再定义vector的operator<<，确保vector模板定义时，array的运算符已经可见：

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

// 先定义array的operator<<
template <class T, std::size_t C> std::ostream &operator<<(std::ostream &out, const std::array<T, C> &arr)
{
    if (arr.empty()) {
        out << "<>";
        return out;
    }
    out << '<';
    for (int i = 0; i < arr.size() - 1; i++) {
        out << arr[i] << ", ";
    }
    return out << arr.back() << '>';
}

// 再定义vector的operator<<
template <typename T> std::ostream &operator<<(std::ostream &out, const std::vector<T> &vec)
{
    if (vec.empty()) {
        out << "[]";
        return out;
    }
    out << '[';
    for (int i = 0; i < vec.size() - 1; i++) {
        out << vec[i] << ", ";
    }
    return out << vec.back() << ']';
}

#include <string>
#define dbg(...) logger(__LINE__, #__VA_ARGS__, __VA_ARGS__)
template <typename... Args> void logger(int line, std::string vars, Args &&...values)
{
    std::cerr << "Ln " << line << ": " << vars << " = ";
    std::string delim = "";
    (..., (std::cerr << delim << values, delim = ", "));
    std::cerr << std::endl, std::cerr.flush();
}

using namespace std;

int main()
{
    using a2i = array<int, 2>;
    using va2i = vector<a2i>;
    using a4v = array<va2i, 4>;
    
    a4v a4;
    a4[0].push_back({3, 5});
    a4[1].push_back({9, 8}), a4[1].push_back({1, 2});
    
    dbg(a4);

    return 0;
}

额外处理C++17警告 #

clang提示的折叠表达式是C17特性，编译时加上-std=c++17选项即可消除警告，比如：

clang++ -std=c++17 source.cpp -o output
g++ -std=c++17 source.cpp -o output

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Liu Weibo