C++模板友元声明、特化与重载运算符使用相关疑问

版本1代码 #

#include <iostream>

using namespace std;


//template<typename T> void func4();
//template<typename T> class NAME;
//   template<typename T> std::ostream& operator<< (std::ostream&, NAME<T> const&);
template<typename T>
class NAME {
   

    friend void func4<T>();
    friend std::ostream& operator<< <T> (std::ostream&, NAME<T> const&);
};
int main()
{
   cout << "Hello World" << endl; 
 
   return 0;
}

编译报错信息 #

prog.cc:13:17: error: variable or field 'func4' declared void
   13 |     friend void func4<T>();
      |                 ^~~~~
prog.cc:13:17: error: expected ';' at end of member declaration
   13 |     friend void func4<T>();
      |                 ^~~~~
      |                      ;
prog.cc:13:22: error: expected unqualified-id before '<' token
   13 |     friend void func4<T>();
      |                      ^

问题列表 #

问题1 #

我已经将func4和operator<<两个模板函数的前向声明都注释了，为什么只有func4的友元声明报错，operator<<的友元声明没有报错？我清楚如果要友元指定模板的某个实例需要前向声明：即friend void func4<T>();生效需要取消template<typename T> void func4();的注释，同理friend std::ostream& operator<< <T> (std::ostream&, NAME<T> const&);生效需要取消对应前向声明的注释。但当我只取消func4的前向声明注释时，程序可以正常运行，operator<<没有前向声明也不会报错，这又是为什么？

问题2 #

friend void func4<T>();和friend void func4<>();是否等价？同理friend std::ostream& operator<< <T> (std::ostream&, NAME<T> const&);和friend std::ostream& operator<< <> (std::ostream&, NAME<T> const&);是否等价？我个人认为friend void func4<>();对应函数模板的特化版本，而friend void func4<T>();是显式传入T参数，调用func4<int>();时才会实例化对应版本占用内存；特化版本需要提前提供定义，会提前占用内存。请问使用和<>是否存在差异？我认为的“<>对应用户提供的特化、调用时才实例化，二者内存占用时机不同”的结论是否正确？

问题3 #

我在cppreference中看到如下描述：

无法为重载运算符、转换函数和构造函数显式指定模板实参，因为调用它们时不会使用函数名。

按照上述描述，重载运算符不能显式指定模板实参，为什么友元声明中可以编写friend std::ostream& operator<< <T> (std::ostream&, NAME<T> const&);这种显式指定模板参数的语法？

解答 #

问题1解答 #

差异的核心原因是operator<<不是未声明的标识符，而func4是完全未声明的自定义标识符。
<iostream>头文件中已经声明了大量std::operator<<的函数模板，所以即使你注释了自己写的operator<<前向声明，编译器依然能识别operator<<是模板名称，不会报标识符不存在的语法错误，只会在你实际尝试用NAME<T>实例调用operator<<时，才会报无匹配重载的链接/编译错误。而func4是你自定义的函数，没有任何前置声明的情况下，编译器根本不知道func4是个模板，看到func4<T>的写法会直接判定为语法错误。
当你只取消func4的前向声明时，func4已经被识别为模板，operator<<有标准库的模板声明兜底，所以语法层面全部合法，编译可以通过。

问题2解答 #

两种写法在你的场景下完全等价，你之前的理解是错误的。
friend void func4<>();中的空尖括号不是特化标识，是模板实参推导的语法：编译器会根据友元声明的上下文自动推导模板参数，你这个场景下推导出来的参数就是NAME类的模板参数T，和手动写<T>效果完全一致。
对应的两种operator<<的友元声明也完全等价。关于内存占用的结论也不正确：两种写法都是指代对应模板的实例，都是在该实例被ODR使用的时候才会实例化、分配内存，和你用<T>还是<>的写法没有关系，也不存在<>就对应用户特化、需要提前定义的规则。只有当你写template<> void func4<某具体类型>()这种全特化语法的时候，才属于特化声明，和你提到的空尖括号推导场景完全不同。

问题3解答 #

你误解了这段描述的适用场景：这段话指的是使用运算符语法调用重载运算符的时候，无法显式指定模板实参。比如你不能写出std::cout <<<T> obj这种代码来指定operator<<的模板参数，因为运算符调用的语法里没有位置插入模板实参列表。
而友元声明里你用的是operator<<的函数名形式，不是运算符调用语法，这种场景下不管是声明、定义还是手动函数式调用（比如operator<< <T>(std::cout, obj)），都可以显式指定模板实参，完全符合C++语法规则。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Anoop Rana