非类型参数包笛卡尔积代码C++17编译失败原因咨询

问题场景 #

用非类型参数包实现笛卡尔积的代码，可在GCC、MSVC的C20模式下编译，但C17模式编译失败，且完全无法在Clang中编译。代码未显式使用C++20特性，却出现跨版本、跨编译器的差异，编译错误仅模糊提示“template argument deduction/substitution failed”，无更多细节。

最简代码片段 #

#include <iostream>
#include <utility>

template<auto ...values>
struct ValueParameterPack {};

template<std::size_t I, typename T, T ...values>
constexpr T get(ValueParameterPack<values...>) {
    constexpr T value_array[] = {values...};
    return value_array[I];
}

template<std::size_t I, typename T>
constexpr auto get_v = get<I>(T{});

template<auto ...values1, auto ...values2, std::size_t ...Is>
auto cartesian_product(ValueParameterPack<values1...>, ValueParameterPack<values2...>, std::index_sequence<Is...>)
    -> ValueParameterPack<
        std::make_pair(
            get_v<Is / sizeof...(values2), ValueParameterPack<values1...>>,
            get_v<Is % sizeof...(values2), ValueParameterPack<values2...>>
        )...
    >;

template<auto ...values1, auto ...values2>
auto cartesian_product(ValueParameterPack<values1...>, ValueParameterPack<values2...>)
    -> decltype(cartesian_product(
        ValueParameterPack<values1...>{},
        ValueParameterPack<values2...>{},
        std::make_index_sequence<sizeof...(values1) * sizeof...(values2)>()
    ));

template<typename ValueParameterPack1, typename ValueParameterPack2>
using CartesianProduct = decltype(cartesian_product(ValueParameterPack1{}, ValueParameterPack2{}));

int main() {
    using T = CartesianProduct<ValueParameterPack<1, 2>, ValueParameterPack<3, 4>>;
}

编译失败原因解析 #

1. C17与C20的模板推导差异 #

核心问题出在第二个cartesian_product重载的返回类型推导逻辑：

template<auto ...values1, auto ...values2>
auto cartesian_product(...)
    -> decltype(cartesian_product(..., std::make_index_sequence<sizeof...(values1)*sizeof...(values2)>()));

在C17中，函数模板返回类型的decltype表达式无法反向推导模板参数。这里返回类型调用了第一个重载，但编译器需要先确定values1、values2才能生成index_sequence，而这两个参数包又需要从函数参数推导——形成了循环依赖，C17编译器无法处理这种推导逻辑。

C20通过P0859R0提案放宽了规则，允许在返回类型的decltype中使用当前函数模板的参数，因此GCC和MSVC的C20模式可以正常编译。

2. 模糊错误信息的含义 #

“template argument deduction/substitution failed”本质是编译器在推导模板参数时，无法找到符合要求的重载匹配：

• 实例化CartesianProduct时，会触发第二个cartesian_product重载的调用
• 编译器需要推导values1和values2，但返回类型的decltype调用依赖这两个参数包的大小，导致推导无法完成
• 多数编译器在处理这类复杂模板推导失败时，只会给出通用错误提示，不会详细说明循环依赖的具体问题

3. Clang编译失败的原因 #

Clang对模板推导规则的执行更严格：

• 即使在C++20模式下，Clang也可能拒绝这种返回类型依赖模板参数的推导逻辑
• 另外，get_v的定义中，Clang无法从T{}（ValueParameterPack实例）中正确推导get函数的T模板参数，而GCC和MSVC做了非标准的宽松推导，因此能通过编译

兼容C++17的修复方案 #

改用类模板特化实现笛卡尔积，避免函数模板的返回类型循环推导：

#include <iostream>
#include <utility>

template<auto ...values>
struct ValueParameterPack {};

template<std::size_t I, typename T, T ...values>
constexpr T get(ValueParameterPack<values...>) {
    constexpr T value_array[] = {values...};
    return value_array[I];
}

template<std::size_t I, typename T>
constexpr auto get_v = get<I>(T{});

// 类模板实现笛卡尔积逻辑
template<typename Pack1, typename Pack2>
struct CartesianProductImpl;

template<auto... V1, auto... V2>
struct CartesianProductImpl<ValueParameterPack<V1...>, ValueParameterPack<V2...>> {
private:
    template<std::size_t... Is>
    static auto generate(std::index_sequence<Is...>) {
        return ValueParameterPack<
            std::make_pair(
                get_v<Is / sizeof...(V2), ValueParameterPack<V1...>>,
                get_v<Is % sizeof...(V2), ValueParameterPack<V2...>>
            )...
        >{};
    }
public:
    using type = decltype(generate(std::make_index_sequence<sizeof...(V1)*sizeof...(V2)>()));
};

template<typename Pack1, typename Pack2>
using CartesianProduct = typename CartesianProductImpl<Pack1, Pack2>::type;

int main() {
    using T = CartesianProduct<ValueParameterPack<1, 2>, ValueParameterPack<3, 4>>;
}

类模板特化可以提前解析ValueParameterPack的参数包，避免函数模板推导中的循环依赖，同时兼容C++17和主流编译器。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Nelfeal