C++类模板友元函数省略公共模板参数报错解决方法

我实现了一个红黑树类，以及一个用于合并两棵红黑树与传入值的友元函数。
当前可正常运行的代码实现如下：

// forward declarations
template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup>
requires std::invocable<Comp, K, K>
class RedBlackTree;

template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup, typename T>
RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> join(
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree1, T &&raw_value,
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree2);

// actual class definition
template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup>
requires std::invocable<Comp, K, K>
class RedBlackTree {
   // ...
// friend function declaration
template <Containable K_, typename V_, typename Comp_, bool AllowDup_, typename T>
  friend RedBlackTree<K_, V_, Comp_, AllowDup_> join(
    RedBlackTree<K_, V_, Comp_, AllowDup_> &&tree1, T &&raw_value,
    RedBlackTree<K_, V_, Comp_, AllowDup_> &&tree2);
};

// actual function implementation
template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup, typename T>
RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> join(
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree1, T &&raw_value,
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree2) {
   // ...
}

上述代码可正常运行，但写法非常冗余。
在class RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup>的类作用域中，已经明确了当前实例的模板参数K, V, Comp, AllowDup，我希望仅为与当前类模板参数匹配的join函数开放友元权限，因此尝试编写如下简化写法：

template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup>
requires std::invocable<Comp, K, K>
class RedBlackTree {
   // ...
// friend function declaration
template <typename T>
  friend RedBlackTree join(
    RedBlackTree &&tree1, T &&raw_value,
    RedBlackTree &&tree2);
};

该写法无法通过编译，编译器提示无法匹配join函数的实例化。

你写的简化版友元声明存在两个核心问题：

1. 该声明会被编译器识别为一个全新的、仅在RedBlackTree类作用域内可见的join函数模板，和你在类外定义的全局join模板不是同一个实体，链接阶段自然找不到对应实现。
2. 声明没有显式关联到提前声明的join模板，编译器无法将其和外部的join实现做匹配。
   另外你最初的可运行版本还存在权限过大的问题：所有模板参数实例化的join函数都能访问任意RedBlackTree实例的私有成员，不符合最小权限原则。

首先保留类和join函数的前置声明（这步不能省略，否则编译器无法识别friend指向的模板实体），之后在类内友元声明时显式指定当前类的模板参数，通过模板实参列表<>告诉编译器该声明指向外部前置声明的join模板的对应特化，代码如下：

// 前置声明部分和原可运行版本一致
template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup>
requires std::invocable<Comp, K, K>
class RedBlackTree;

template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup, typename T>
RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> join(
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree1, T &&raw_value,
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree2);

// 类定义
template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup>
requires std::invocable<Comp, K, K>
class RedBlackTree {
   // ... 其他成员定义
   // 友元声明：仅参数和当前类匹配的join特化拥有访问权限
   template <typename T>
   friend RedBlackTree join<K, V, Comp, AllowDup, T>(
       RedBlackTree &&tree1, T &&raw_value,
       RedBlackTree &&tree2);
};

// 类外join实现保持不变
template <Containable K, typename V, typename Comp, bool AllowDup, typename T>
RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> join(
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree1, T &&raw_value,
    RedBlackTree<K, V, Comp, AllowDup> &&tree2) {
   // ...
}

这种写法下，在RedBlackTree的类作用域内RedBlackTree会自动推导为当前实例化的类型，不需要重复写全模板参数；同时权限严格收敛：只有和当前类K/V/Comp/AllowDup参数完全匹配的join特化，才能访问该类实例的私有成员，既简化了代码，也符合最小权限要求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者frozenca