CRTP中依赖类型何时为完整类型？嵌套模板编译疑问解析

问题场景 #

我尝试用Mixin类结合**奇异递归模板模式(CRTP)**实现单例，让类拥有一个存储自身实例的静态数据成员，且该成员知晓类的完整大小。初始写法如下：

template<class ObjectType>
class SingletonOf
{
  static inline char instance_memory[sizeof(ObjectType)]; // 编译报错：ObjectType是不完整类型
public:
  void *operator new(std::size_t)
  {
    return &instance_memory;
  }
  void operator delete(void *)
  {
  }
};

class foo : public SingletonOf<foo> // CRTP：让SingletonOf知晓foo类型
{
  // foo的数据成员与成员函数
};

void bar() {
  foo *p = new foo; // 预期调用SingletonOf<foo>::operator new返回实例内存
}

在C20中，上述代码会因ObjectType（即foo）是不完整类型而报错。但改用嵌套类模板的写法后，可通过clang的C++20模式编译：

template<class ObjectType>
class SingletonOf
{
  template<class CompleteObjectType>
  struct InstanceMemory
  {
    static char inline instance_memory[sizeof(CompleteObjectType)];
  };
public:
  void *operator new(std::size_t) {
    return InstanceMemory<ObjectType>::instance_memory;
  }
  // 其他成员实现...
};

class foo : public SingletonOf<foo>
{
  // foo的数据成员与成员函数
};

需要明确三个问题：

1. 这种嵌套模板写法是否合法？
2. 为何此时ObjectType会被视为完整类型？
3. CRTP中，依赖类型名何时会成为完整类型？

1. 嵌套模板写法的合法性 #

该写法完全符合C++标准，是合法的实现方式。关键在于嵌套模板InstanceMemory的实例化时机被延迟，直到需要使用它的代码执行时，此时依赖的ObjectType已经是完整类型，满足sizeof操作对完整类型的要求。

2. 为何此时ObjectType被视为完整类型 #

初始写法的问题在于时机不对：

• 当foo继承SingletonOf<foo>时，SingletonOf<foo>这个基类模板会立即被实例化，但此时foo的定义还没完成（还在处理基类列表和后续的成员定义），属于不完整类型，直接用sizeof(ObjectType)违反了C++标准中“不能对不完整类型使用sizeof”的规则，因此编译报错。

而嵌套模板的写法巧妙地推迟了求值时机：

• SingletonOf<foo>实例化时，只会处理类的声明部分，成员函数operator new的函数体不会被立即实例化。
• 只有当bar()中执行new foo时，operator new的函数体才会被实例化——此时foo的整个定义已经完成（bar函数在foo定义之后），ObjectType（即foo）已经是完整类型，InstanceMemory<foo>的实例化可以合法调用sizeof(foo)。

简单说，嵌套模板把sizeof的求值从基类模板实例化阶段推迟到了成员函数实际调用阶段，避开了派生类不完整的时间段。

3. CRTP中依赖类型名的完整时机 #

在CRTP场景下，派生类（即依赖类型ObjectType）的完整时机遵循以下规则：

• 基类模板实例化时：当派生类继承CRTP基类时，派生类处于不完整状态——此时基类模板的类声明部分会被实例化，但成员函数的函数体不会被实例化（除非被显式实例化或调用）。
• 派生类定义完成后：当派生类的所有成员、基类列表都处理完毕后，任何在派生类定义之后引用它的代码中，派生类都会被视为完整类型。
• 成员函数实例化时：基类模板中的成员函数（比如operator new）的函数体，会在第一次被调用时实例化。如果这个调用发生在派生类定义之后，那么此时ObjectType就是完整类型。

注意：如果基类的成员函数是constexpr、consteval，或者被显式实例化，函数体的实例化会提前，此时仍可能遇到不完整类型的问题——但你的写法中operator new是普通成员函数，仅在调用时实例化，因此不会有问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者cs-