[迷宮入りか？]MSVCが見せるtemplateクラス内でのfriend関数定義への謎of謎な取り扱い、explicit instantaionを添えて

まず次のコードを見てほしい。

#include <iostream>
template<class T> class Foo
{
	friend int f(T*) { return 1; }
public:
	static int g() { return f(static_cast<T*>(nullptr)); }
};
template<class T> class Bar
{
	friend int f(T*);
public:
	static int g() { return f(static_cast<T*>(nullptr)); }
};

template<typename T>
int bar()
{
	return Bar<T>::g();
}

template<typename T>
class Dest1
{
	using F = Foo<T>;
};
class Dest2
	: Dest1<Dest2>
{};
template Dest2::F;

int main()
{
	const auto ret = bar<Dest2>();
	std::cout << ret << std::endl;
}

さて、これを各種コンパイラでコンパイルしてみる。

prog.cc:10:24: warning: friend declaration 'int f(T*)' declares a non-template function [-Wnon-template-friend]
   10 |         friend int f(T*);
      |                        ^
prog.cc:10:24: note: (if this is not what you intended, make sure the function template has already been declared and add '<>' after the function name here)
prog.cc:29:18: error: expected unqualified-id before ';' token
   29 | template Dest2::F;
      |                  ^
prog.cc: In instantiation of 'static int Bar<T>::g() [with T = Dest2]':
prog.cc:18:18:   required from 'int bar() [with T = Dest2]'
prog.cc:33:29:   required from here
prog.cc:12:34: error: 'f' was not declared in this scope
   12 |         static int g() { return f(static_cast<T*>(nullptr)); }
      |                                 ~^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

prog.cc:29:10: error: declaration does not declare anything
template Dest2::F;
         ^~~~~~~~
prog.cc:12:26: error: use of undeclared identifier 'f'
        static int g() { return f(static_cast<T*>(nullptr)); }
                                ^
prog.cc:18:17: note: in instantiation of member function 'Bar<Dest2>::g' requested here
        return Bar<T>::g();
                       ^
prog.cc:33:19: note: in instantiation of function template specialization 'bar<Dest2>' requested here
        const auto ret = bar<Dest2>();
                         ^
2 errors generated.

ところでこれをVisual Studioでビルドするとコンパイルになぜか成功する。なんでMSVCはこれを通すのか、それがわからない。ちなみに手元でVS2005を引っ張り出してきたが同じくこのコードを通す(using aliasとかautoとかnullptrは書き換えたけども)

ちなみに//template Dest2::F;のようにコメントアウトするとつぎのようにリンクエラーになる。

1>  main..cpp
1>main..obj : error LNK2019: 未解決の外部シンボル "int __cdecl f(class Dest2 *)" (?f@@YAHPAVDest2@@@Z) が関数 "public: static int __cdecl Bar<class Dest2>::g(void)" (?g@?$Bar@VDest2@@@@SAHXZ) で参照されました。
1>c:\users\21-0042\documents\visual studio 2015\Projects\friend_test2\Debug\friend_test2.exe : fatal error LNK1120: 1 件の未解決の外部参照

また、const auto ret = bar<int>();のように書き換えるとつぎのようにリンクエラーになる。

1>  main..cpp
1>main..obj : error LNK2019: 未解決の外部シンボル "int __cdecl f(int *)" (?f@@YAHPAH@Z) が関数 "public: static int __cdecl Bar<int>::g(void)" (?g@?$Bar@H@@SAHXZ) で参照されました。
1>c:\users\21-0042\documents\visual studio 2015\Projects\friend_test2\Debug\friend_test2.exe : fatal error LNK1120: 1 件の未解決の外部参照

templateクラス内でのfriend関数定義

そもそもtemplate classの中でfriend関数定義する技法自体は

で紹介されている。

C++規格書で関連するところがないか探したが、あまりクリティカルな記述を見つけられなかった。探し方が悪そうではある。

https://timsong-cpp.github.io/cppwp/n4861/class.friend#6

6 A function can be defined in a friend declaration of a class if and only if the class is a non-local class ([class.local]), the function name is unqualified, and the function has namespace scope.
[ Example:

class M {
 friend void f() { }           // definition of global f, a friend of M,
                               // not the definition of a member function
};

— end example
]

https://timsong-cpp.github.io/cppwp/n4861/class.friend#7

7 Such a function is implicitly an inline ([dcl.inline]) function if it is attached to the global module.
A friend function defined in a class is in the (lexical) scope of the class in which it is defined.
A friend function defined outside the class is not ([basic.lookup.unqual]).

explicit_instantaionとtypedef

template Dest2::F;についてもう少し深く考える。

要するに下のように書いたとき、Base_Derived1はtypedefで作られた名前だが、template Base_Derived1のようにexplicit instantaionできるのはなぜかということ。

main.cpp

#include "foo.h"
#include <iostream>
int main()
{
	Derived1 d;
	std::cout << d.bar() << std::endl;
}

foo.h

template<typename Derived>
class Base {
public:
	Base(int a);
	int bar() { return n; }
	int n;
};

class Derived1 : public Base<Derived1> {
public:
	Derived1() : Base<Derived1>(4) {}
};
typedef Base<Derived1> Base_Derived1;

foo.cpp

#include "foo.h"
#include <iostream>
template<typename Derived>
Base<Derived>::Base(int a) : n(a) { std::cout << "base" << std::endl; }

template Base_Derived1;

各コンパイラでのコンパイル結果

msvcは通すがgcc/clangはエラーとなった。

コンパイラ	結果
Visual Studio 2005	pass
Visual Studio 2022 (/std:c++20, /permissive-)	pass
gcc 12.1.0	error: expected unqualified-id before ';' token https://wandbox.org/permlink/vVKGAONfUQq9amB8
clang 16.0.0 HEAD	error: declaration does not declare anything https://wandbox.org/permlink/bZ515NugCwER8quI

規格書読解

C++20の規格書を参照する。

1

A class, function, variable, or member template specialization can be explicitly instantiated from its template.
A member function, member class or static data member of a class template can be explicitly instantiated from the member definition associated with its class template.

まずここでは明示的インスタンス化をするにあたって、可能なものを列挙している。

• クラス
• 関数
• 変数
• member template specialization
• テンプレートクラスの
  • メンバー関数
  • メンバークラス
  • staticメンバ変数

2

The syntax for explicit instantiation is:

explicit-instantiation:

$extern_{opt}$ template declaration

4

If the explicit instantiation is for a class or member class, the elaborated-type-specifier in the declaration shall include a simple-template-id; otherwise, the declaration shall be a simple-declaration whose init-declarator-list comprises a single init-declarator that does not have an initializer.

2と4を組み合わせて読む。

クラスもしくはメンバークラスの明示的か初期化において、declaration中のelaborated-type-specifierはsimple-template-idを含むか、declarationはinitializerを持たない単一init-declaratorを含むinit-declarator-listのsimple-declarationでなければならない

declaration中のelaborated-type-specifierはsimple-template-idを含む

elaborated-type-specifier:
	class-key attribute-specifier-seqopt nested-name-specifieropt identifier
	class-key simple-template-id
	class-key nested-name-specifier templateopt simple-template-id
	elaborated-enum-specifier
elaborated-enum-specifier:
	enum nested-name-specifieropt identifier

class-key:
	class
	struct
	union

つまりこれらを合算すると

• class-key simple-template-id
• class-key nested-name-specifier templateopt simple-template-id

のいずれかということでしょう。もう少し用語を追いかけたのが下記です。

simple-template-id:
	template-name < template-argument-listopt >

template-name:
	identifier

nested-name-specifier:
	::
	type-name ::
	namespace-name ::
	decltype-specifier ::
	nested-name-specifier identifier ::
	nested-name-specifier templateopt simple-template-id ::

今回のお題では一旦nested-name-specifierは関係ないので忘れてclass-key simple-template-idを考えます。書き換えるとclass-key template-name < template-argument-listopt >です。

これの例は下が挙げられます。

template<typename T>
class Foo {};

template class Foo<int>;
// or
explicit template class Foo<int>;

declarationはinitializerを持たない単一init-declaratorを含むinit-declarator-listのsimple-declaration

simple-declaration:
	decl-specifier-seq init-declarator-listopt ;
	attribute-specifier-seq decl-specifier-seq init-declarator-list ;
	attribute-specifier-seqopt decl-specifier-seq ref-qualifieropt [ identifier-list ] initializer ;

init-declarator-list:
	init-declarator
	init-declarator-list , init-declarator

init-declarator:
	declarator initializeropt
	declarator requires-clause

decl-specifier:
	storage-class-specifier
	defining-type-specifier
	function-specifier
	friend
	typedef
	constexpr
	consteval
	constinit
	inline

decl-specifier-seq:
	decl-specifier attribute-specifier-seqopt
	decl-specifier decl-specifier-seq

一旦attributeとconceptのことを考えず、上記を統合すると
decl-specifier-seq declarator
となります。

・・・ぜんぜんわからない。

関連するVSへのfeedback

Explicit template instantiation via typedef should fail with /permissive- - Developer Community

気になるfeedbackは見つかる。

As far as I know this code should not compile:

template<typename T>
struct Test{
    void foo() {
    }
};


template<typename T>
struct Trait {
    using type = Test<T>;
};

template struct Trait<int>::type;

ただこれが直接影響するのかはよくわからない。