C++20含模板旧代码编译失败，C++17正常，求修复方案

以下代码在C17环境可正常编译，但切换至C20（Windows平台Visual Studio 2022）后编译失败：

class MyFile
{
public:
    void Read(){ }
};

class ArrayWrapper;

class BaseClass
{
public:
    ArrayWrapper* arrayWrapper;
};

template <class T> class ArrayClass : public BaseClass
{
public:
    void Add()
    {
        arrayWrapper->file.Read();
    }
};


class ArrayWrapper
{
public:
    ArrayWrapper(): file(new MyFile()){ }
    ~ArrayWrapper() { delete file; }
    MyFile* file;
    ArrayClass<int> Array{};
    void Update()
    {
        Array.Add();
    }
};

int main()
{
    ArrayWrapper wrapper;
    wrapper.Update();
}

编译报错信息：

error C2027: use of undefined type 'ArrayWrapper'
message : see declaration of 'ArrayWrapper'
message : see reference to class template instantiation 'ArrayClass<T>' being compiled

问题原因 #

C++20调整了模板实例化的时机规则：当ArrayWrapper类中定义ArrayClass<int> Array{};时，会立即触发ArrayClass<int>的完整实例化。此时ArrayWrapper仅完成前向声明，还未定义file成员，导致ArrayClass<T>::Add()中访问arrayWrapper->file时，编译器无法识别ArrayWrapper的完整类型，从而报错。

而在C++17中，模板成员函数的实例化会延迟到首次被调用时（即wrapper.Update()调用Array.Add()时），此时ArrayWrapper已经完成完整定义，因此不会触发错误。

修复方案 #

方案1：延迟模板成员函数的定义 #

将ArrayClass<T>::Add()的定义移到ArrayWrapper类定义之后，确保实例化时ArrayWrapper已完整：

class MyFile
{
public:
    void Read(){ }
};

class ArrayWrapper;

class BaseClass
{
public:
    ArrayWrapper* arrayWrapper;
};

template <class T> class ArrayClass : public BaseClass
{
public:
    void Add(); // 仅声明，不定义
};


class ArrayWrapper
{
public:
    ArrayWrapper(): file(new MyFile()){ }
    ~ArrayWrapper() { delete file; }
    MyFile* file;
    ArrayClass<int> Array{};
    void Update()
    {
        Array.Add();
    }
};

// 在ArrayWrapper完整定义后，实现ArrayClass的Add函数
template <class T>
void ArrayClass<T>::Add()
{
    arrayWrapper->file.Read();
}

int main()
{
    ArrayWrapper wrapper;
    wrapper.Update();
}

方案2：调整成员变量的初始化时机 #

将ArrayClass<int> Array{};改为默认声明，在构造函数中完成初始化，避免在ArrayWrapper定义阶段触发模板实例化：

class MyFile
{
public:
    void Read(){ }
};

class ArrayWrapper;

class BaseClass
{
public:
    ArrayWrapper* arrayWrapper;
};

template <class T> class ArrayClass : public BaseClass
{
public:
    void Add()
    {
        arrayWrapper->file.Read();
    }
};


class ArrayWrapper
{
public:
    ArrayWrapper(): file(new MyFile()), Array() { } // 在构造函数中初始化Array
    ~ArrayWrapper() { delete file; }
    MyFile* file;
    ArrayClass<int> Array; // 去掉{}，改为默认声明
    void Update()
    {
        Array.Add();
    }
};

int main()
{
    ArrayWrapper wrapper;
    wrapper.Update();
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者NT2023