如何延迟类模板中虚函数的实例化以避免调用删除函数错误

给定以下代码：

template <typename T>
int badToCall() = delete;

struct IA {
    virtual ~IA() {}
    virtual int foo() const = 0;
};

template <typename T>
struct A : public IA {
    virtual int foo() const override final { return badToCall<T>(); }
};

int main() { A<int> a; }

如何延迟A<int>::foo的求值/实例化，使得实例化A<int>时不会触发“调用已删除函数”的错误？

有观点认为实例化A时必须构建虚表，会触发A::foo的提前实例化，但实际上仅需要A::foo的声明而非定义，就像常规非模板虚函数那样，理论上可以延迟完整实例化。

补充说明：若不使用模板，可针对int类型手动实现如下：
AInt.h

struct AInt: public IA {
  virtual int foo() const override final;
};

实现放在cpp文件中，同时提供模板特化：
AInt.cpp

template<>
int badToCall<int>() {
  return 1;
}

int AInt::foo() const {
  return badToCall<int>();
}

此时仅包含AInt.h就能实例化该结构体：

#include "AInt.h"

int main() {
  AInt a;
}

希望通过模板实现相同效果，无需手动定义AInt这类结构体，即能直接编写：

int main() {
  A<int> a;
}

目标是延迟A<X>::foo的定义，理想情况下无需显式列出实例化。要求不调用A<X>::foo的编译单元不生成其代码，调用它的编译单元生成代码并自动去重。

要实现该需求，核心是将A<T>::foo的声明与定义分离，避免实例化A<T>时强制实例化foo的定义，具体步骤如下：

1. 调整模板类A的头文件，仅保留foo的声明 #

修改头文件中的模板类定义，将foo的实现移出类体，仅保留声明：

// A.h
template <typename T>
int badToCall() = delete;

struct IA {
    virtual ~IA() {}
    virtual int foo() const = 0;
};

template <typename T>
struct A : public IA {
    virtual int foo() const override final; // 仅声明，不定义
};

2. 在单独cpp文件中实现A<T>::foo与badToCall特化 #

将foo的模板定义和badToCall的特化放在单独的cpp文件中，确保只有包含该实现的编译单元才会实例化相关代码：

// A.cpp
#include "A.h"

// 为需要支持的类型特化badToCall
template<>
int badToCall<int>() {
    return 1;
}

// 提供A<T>::foo的模板定义
template <typename T>
int A<T>::foo() const {
    return badToCall<T>();
}

// 可选：显式实例化需要支持的A<T>类型，提前生成代码避免编译单元重复实例化
template struct A<int>;

3. 使用示例 #

主文件只需包含头文件即可实例化A<int>，不会触发错误：

// main.cpp
#include "A.h"

int main() {
    A<int> a; // 正常编译，仅实例化A<int>的类结构，未实例化foo的定义
    // a.foo(); // 若调用foo，需确保链接时包含A.cpp的目标文件
}

原理说明 #

• 当模板类的成员函数仅在类体内声明、外部定义时，C++标准规定：只有当该函数被调用（或被ODR使用）时，才会触发其定义的实例化。
• 对于虚函数，虚表仅需要函数的地址占位，编译器可在链接阶段填充实际地址，无需在实例化类时就实例化函数定义，这与非模板虚函数的行为完全一致，匹配需求。
• 若不添加显式实例化，当某个编译单元调用A<int>::foo时，编译器会自动实例化其定义；链接器会自动处理多个编译单元中重复实例化的代码，实现自动去重。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Alexander Torstling