C++20: удивить линкер четырьмя строчками кода

Представьте себе, что вы студент, изучающий современные фичи C++. И вам дали задачу по теме concepts/constraints. У преподавателя, конечно, есть референсное решение «как правильно», но для вас оно неочевидно, и вы навертели гору довольно запутанного кода, который всё равно не работает. (И вы дописываете и дописываете всё новые перегрузки и специализации шаблонов, покрывая всё новые и новые претензии компилятора).

А теперь представьте себе, что вы — преподаватель, который увидел эту гору, и захотел помочь студенту. Вы стали упрощать и упрощать его код, и даже тупо комментировать куски юнит-тестов, чтобы оно хоть как-то заработало… А оно всё равно не работает. Причём, в зависимости от порядка юнит-тестов, выдаёт разные результаты или вообще не собирается. Где-то спряталось неопределённое поведение. Но какое?

Сперва преподаватель (то есть, я) минимизировал код вот до такого: https://gcc.godbolt.org/z/TaMTWqc1T

// пусть у нас есть концепты указателя и вектора template<class T> concept Ptr = requires(T t) { *t; }; template<class T> concept Vec = requires(T t) { t.begin(); t[0]; };  // и три перегрузки функций, рекурсивно определённые друг через друга template<class T> void f(T t) {  // (1)   std::cout << "general case " << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl; } template<Ptr T> void f(T t) {  // (2)   std::cout << "pointer to ";   f(*t);  // допустим, указатель не нулевой } template<Vec T> void f(T t) {  // (3)   std::cout << "vector of ";   f(t[0]);  // допустим, вектор не пустой }  // и набор тестов (в разных файлах) int main() {   std::vector<int> v = {1};      // тест А   f(v);   // или тест Б   f(&v);   // или тест В   f(&v);   f(v);   // или тест Г   f(v);   f(&v); }

Мы ожидаем, что

• f(v) выведет «vector of general case void f(T) [T=int]»

• f(&v) выведет «pointer to vector of general case void f(T) [T=int]»

А вместо это получаем

• А: «vector of general case void f(T) [T=int]»

• Б: «pointer of general case void f(T) [T=std::vector<int>]» — ?

• В: clang выводит
  «pointer to general case void foo(T) [T = std::vector<int>]» — как в случае с Б
  «general case void foo(T) [T = std::vector<int>]», — не так, как А!
  gcc — даёт ошибку линкера

• Г: clang и gcc дают ошибку линкера

Что здесь не так?!

А не так здесь две вещи. Первая — это то, что из функции (2) видны объявления только (1) и (2), поэтому результат разыменования указателя вызывается как (1).

Без концептов и шаблонов это тоже прекрасно воспроизводится: https://gcc.godbolt.org/z/47qhYv6q4

void f(int x)    { std::cout << "int" << std::endl; } void g(char* p)  { std::cout << "char* -> "; f(*p); }  // f(int) void f(char x)   { std::cout << "char" << std::endl; } void g(char** p) { std::cout << "char** -> "; f(**p); }  // f(char)  int main() {   char x;   char* p = &x;   f(x);  // char   g(p);  // char* -> int   g(&p); // char** -> char }

В отличие от инлайн-определений функций-членов в классе, где все объявления видны всем, — определение свободной функции видит только то, что находится выше по файлу.

Из-за этого, кстати, для взаимно-рекурсивных функций приходится отдельно писать объявления, отдельно (ниже) определения.

Ладно, с этим разобрались. Вернёмся к шаблонам. Почему в тестах В и Г мы получили нечто, похожее на нарушение ODR?

Если мы перепишем код вот так:

template<class T> void f(T t) {.....} template<class T> void f(T t) requires Ptr<T> {.....} template<class T> void f(T t) requires Vec<T> {.....}

то ничего не изменится. Это просто другая форма записи. Требование соответствия концепту можно записать и так, и этак.

Но вот если прибегнем к старому доброму трюку SFINAE, https://gcc.godbolt.org/z/4sar6W6Kq

// добавим второй аргумент char или int - для разрешения неоднозначности template<class T, class = void> void f(T t, char) {.....} template<class T> auto f(T t, int) -> std::enable_if_t<Ptr<T>, void> {.....} template<class T> auto f(T t, int) -> std::enable_if_t<Vec<T>, void> {.....}  ..... f(v, 0) ..... ..... f(&v, 0) .....

или ещё более старому доброму сопоставлению типов аргументов, https://gcc.godbolt.org/z/PsdhsG6Wr

template<class T> void f(T t) {.....} template<class T> void f(T* t) {.....} template<class T> void f(std::vector<T> t) {.....}

то всё станет работать. Не так, как нам хотелось бы (рекурсия по-прежнему сломана из-за правил видимости), но ожидаемо (вектор из f(T*) видится как «general case», из main — как «vector»).

Что же ещё с концептами/ограничениями?

Коллективный разум, спасибо RSDN, подсказал ещё более минималистичный код!

Всего 4 строки:

template<class T> void f() {} void g() { f<int>(); } template<class T> void f() requires true {} void h() { f<int>(); }

Функция с ограничениями считается более предпочтительной, чем функция без них. Поэтому g() по правилам видимости выбирает из единственного варианта, а h() — из двух выбирает второй.

И вот этот код порождает некорректный объектный файл! В нём две функции с одинаковыми декорированными именами.

Оказывается, современные компиляторы (clang ≤ 12.0, gcc ≤ 12.0) не умеют учитывать requires в декорировании имён. Как когда-то старый глупый MSVC6 не учитывал параметры шаблона, если те не влияли на тип функции…

И, судя по ответам разработчиков, не только не умеют, но и не хотят. Отмазка: «если в разных точках программы одинаковые обращения к шаблону резолвятся по-разному, такая программа ill-formed, никакой диагностики при этом не нужно» (однако, ill-formed означает «не скомпилируется», а не «скомпилируется как попало»…)

Проблема известна с 2017 года, но прогресса пока нет.

Так что живите с этим. И не забывайте объявлять взаимно-рекурсивные функции до определений. А если увидите странные ошибки линкера, то хотя бы будете понимать, из-за чего они возникают. (А если компилятор будет инлайнить наобум, — ну, тогда не повезло).