为何代码在MSVC C++17编译通过，C++20下编译失败？

问题场景 #

这段简化的头文件式Json库代码，在MSVC的C17模式下编译正常，但切换到VS2022的C20模式时，Json::Get()中的return语句会触发编译错误。移除四个迭代器类中的objectIter_成员后，C++20模式下又能正常编译，但该成员是迭代器功能必需的，无法移除。

最小可复现示例（MCVE） #

#include <map>
#include <string>

class Json;
class Json_iterator;
class Json_reverse_iterator;
class Json_const_iterator;
class Json_const_reverse_iterator;

class Json_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::iterator               objectIter_;
};

class Json_reverse_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::reverse_iterator       objectIter_;
};

class Json_const_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::const_iterator         objectIter_;
};

class Json_const_reverse_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::const_reverse_iterator objectIter_;
};

class Json final
{
public:
    Json &Get(std::string const &key)
    {
        auto const it = object_.find(key);
        return it->second;
    }

private:
    std::map<std::string, Json>     object_;
};

int main()
{
    Json json;
    Json child = json.Get("foo");

    return 0;
}

编译错误信息 #

error C2079: 'std::pair<const std::string,Json>::second' uses undefined class 'Json'

原因分析 #

问题根源在于C20标准对模板类型实例化的规则更严格，MSVC在C20模式下严格执行了这一标准：

• 当你在四个迭代器类中声明std::map<std::string, Json>::iterator这类成员时，编译器需要确定该迭代器类型的大小、布局以及关联的类型信息。而std::map的迭代器指向的是std::pair<const std::string, Json>，这要求Json必须是完整类型（即已经完成类定义）。
• 但在原代码中，迭代器类的定义位于Json类之前，此时Json仅为前向声明，属于不完整类型。C17模式下，编译器可能延迟了对迭代器类型的实例化，直到实际使用迭代器的代码出现（此时Json已经完整定义），因此没有报错；但C20模式下，编译器在处理迭代器类的成员声明时就需要Json是完整类型，从而触发了错误。

修复方案 #

方案1：调整类定义顺序 #

将Json类的完整定义移到四个迭代器类之前，这样当定义迭代器类时，Json已经是完整类型，std::map<std::string, Json>的迭代器类型就能正确实例化。修改后的代码如下：

#include <map>
#include <string>

class Json;
class Json_iterator;
class Json_reverse_iterator;
class Json_const_iterator;
class Json_const_reverse_iterator;

class Json final
{
public:
    Json &Get(std::string const &key)
    {
        auto const it = object_.find(key);
        return it->second;
    }

private:
    std::map<std::string, Json>     object_;
};

class Json_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::iterator               objectIter_;
};

class Json_reverse_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::reverse_iterator       objectIter_;
};

class Json_const_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::const_iterator         objectIter_;
};

class Json_const_reverse_iterator
{
    std::map<std::string, Json>::const_reverse_iterator objectIter_;
};

int main()
{
    Json json;
    Json child = json.Get("foo");

    return 0;
}

方案2：将迭代器类改为Json的嵌套类 #

把四个迭代器类作为Json类的嵌套类，这样在定义嵌套类时，外层的Json已经是完整类型，满足std::map迭代器对类型完整性的要求。示例代码：

#include <map>
#include <string>

class Json final
{
public:
    class iterator;
    class reverse_iterator;
    class const_iterator;
    class const_reverse_iterator;

    Json &Get(std::string const &key)
    {
        auto const it = object_.find(key);
        return it->second;
    }

private:
    std::map<std::string, Json>     object_;

public:
    class iterator
    {
        std::map<std::string, Json>::iterator               objectIter_;
    };

    class reverse_iterator
    {
        std::map<std::string, Json>::reverse_iterator       objectIter_;
    };

    class const_iterator
    {
        std::map<std::string, Json>::const_iterator         objectIter_;
    };

    class const_reverse_iterator
    {
        std::map<std::string, Json>::const_reverse_iterator objectIter_;
    };
};

int main()
{
    Json json;
    Json child = json.Get("foo");

    return 0;
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者dgnuff