C++ 的重载决议与 SFINAE

实参依赖查找

下面的重载决议中提到了实参依赖查找，看一下

实参依赖查找（Argument-Dependent Lookup，简称 ADL），也叫 Koenig 查找，是一种特殊的名字查找规则，用于在调用函数模板或非成员函数时，自动在实参所属的命名空间中查找对应的函数

当你调用一个函数时，如果这个函数没有用完整限定名（例如 ns::foo()），那么编译器会到实参的命名空间中查找同名函数

#include <iostream>

namespace myns {
    struct MyType {};

    void print(MyType) {
        std::cout << "myns::print called\n";
    }
} // namespace myns

int main() {
    myns::MyType obj;
    print(obj);  // 这里没有 using myns::print，也没写 myns::print()，但编译器能找到它
}

它可以用在操作符重载中：

namespace math {
    struct Vector {};

    Vector operator+(const Vector&, const Vector&) {
        return {};
    }
}

math::Vector a, b;
auto c = a + b;  // 依靠 ADL 找到 operator+

常与模板函数搭配使用，例如：

namespace myns {
    struct Widget {};

    void swap(Widget&, Widget&) {
        std::cout << "custom swap\n";
    }
}

template<typename T>
void doSomething(T& a, T& b) {
    using std::swap;
    swap(a, b);  // 借助 ADL 找到 myns::swap
}

注意：

ADL 只影响无限定的名字查找
如果无限定的名字查找找到的候选集合中含有：类成员的声明、块作用域的函数声明、任何非函数或函数模板的声明时，无法使用 ADL

重载决议

重载决议通过以下几个步骤进行：

建立候选函数集合
从候选函数集合中去除函数，只保留可行函数
分析可行函数集合，以确定唯一的最佳可行函数

如果函数无法被重载决议选择，那么不能使用它

候选函数

在重载决议开始前，将名字查找和模板实参推导所选择的函数组成候选函数的集合

调用具名函数
调用类对象（可调用对象）
调用重载运算符
使用构造函数进行直接初始化或默认初始化时，候选函数是所有的构造函数
进行拷贝初始化时，候选函数是所有的转换构造函数等

还有一些其他的东西

可行函数

给定以上述方式构造的候选函数集，重载决议的下一步骤是检验各个实参与形参，并将集合缩减为可行函数的集合

候选函数必须满足下列条件：

实参数量相等的可行
实参数量少的，如果有省略号形参，那么可行
实参数量多的，如果剩下的有默认实参，那么可行
如果有关联的约束（C++ 20），那么必须满足它
对于每个实参，必须至少存在一个隐式转换序列将它转换到对应的形参（用户定义的转换只能隐式应用一次）
如果任何形参具有引用类型，那么这一步负责引用绑定：如果右值实参对应非 `const1 左值引用形参，或左值实参对应右值引用形参，那么函数不可行

如果有两个函数 F1 和 F2 可行，那么如果满足下面的条件，就称 F1 优于 F2（从前往后依次判断）：

至少存在一个 F1 的实参，它的隐式转换优于 F2 的该实参的对应的隐式转换
从 F1 的返回类型到要初始化的类型的标准转换序列优于从 F2 的返回类型到该类型的标准转换序列
在需要对返回值进行引用绑定的情况下，F1 的返回类型是与正在初始化的引用相同种类的引用（左值或右值），而 F2 的返回类型不是
F1 是非模板的函数而 F2 是模板特化
F1 与 F2 都是模板特化，且按照模板特化的偏序规则，F1 更特殊
F2 是重写的候选而 F1 不是（也就是说重写的成员函数劣于普通的成员函数）
F1 是从用户定义推导指引所生成的而 F2 不是
F1 是复制推导候选而 F2 不是
F1 是从非模板构造函数生成而 F2 是从构造函数模板生成（构造函数也有正常优于模板的说法）

总结：

参数列表的隐式转换分级、返回值的隐式转换
非模板优于模板，模板特化越特殊越好
非重写成员函数优于重写成员函数
对构造函数来说，先看参数，再看推导指引，然后非模板优于模板

隐式转换序列的分级

每种标准转换序列的类型都被赋予三个等级之一：

准确匹配：不要求转换、左值到右值转换、限定性转换、函数指针转换、(C++ 17 起)类类型到相同类的用户定义转换
提升：整数提升、浮点数提升
转换：整数转换、浮点数转换、浮点数整数转换、指针转换、成员指针转换、布尔转换、派生类到它的基类的用户定义转换

下面的不看了，像法律条文一样

SFINAE

SFINAE 就是 Substitution Failure Is Not An Error 的首字母缩写，意思是“替换失败不是错误”

在函数模板的重载决议中，当模板形参在替换成显式指定的类型或推导出的类型失败时，从重载集中丢弃这个特化，而非导致编译失败

在选择候选函数之前，会对函数模板形参进行两次替换：

显式指定的模板实参
推导出的实参和从默认项获得的实参

替换会发生在：函数形参类型、返回值类型、模板形参声明（尖括号里面的东西）等

下面类型的错误是 SFINAE 错误：

同时展开多个不同长度的参数包

试图构建 void、引用或者函数的数组或者异常长度（长度小于等于 0）的数组：

template<int I>
void div(char(*)[I % 2 == 0] = 0) {
    // 当 I 是偶数时选择这个重载，当 I 是奇数时，数组长度为 0
}

template<int I>
void div(char(*)[I % 2 == 1] = 0) {
    // 当 I 是奇数时选择这个重载
}

试图在作用域解析运算符 :: 左侧使用类和枚举以外的类型：

template<class T>
int f(typename T::B*);

template<class T>
int f(T);

int i = f<int>(0); // 使用第二个重载

试图使用类型的成员，其中类型不包含指定成员或者在要求类型、模板、非类型的地方，指定成员不是类型、模板、非类型
试图创建指向引用的指针
试图创建到 void 的引用
试图创建指向 T 的成员的指针，其中 T 不是类类型
试图将非法类型给予非类型模板形参

一个特殊例子：

template<typename A>
struct B { using type = typename A::type; };
 
template<
    typename T,
    typename U = typename T::type,    // 如果 T 没有成员 type 那么就是 SFINAE 失败
    typename V = typename B<T>::type> // 如果 T 没有成员 type 那么就是硬错误
                                      // （经由 CWG 1227 保证不出现，
                                      // 因为到 U 的默认模板实参中的替换会首先失败）
void foo (int);
 
template<typename T>
typename T::type h(typename B<T>::type);
 
template<typename T>
auto h(typename B<T>::type) -> typename T::type; // 重声明
 
template<typename T>
void h(...) {}
 
using R = decltype(h<int>(0));     // 非良构，不要求诊断

因为 B<T> 里面确实声明了 type，而在替换阶段并没有进行实例化，所以在替换阶段并不知道这个 type 是否正常

在真正实例化了这个模板函数时，B<T> 就被实例化，这时才发现没有 T::type，所以是一个硬错误

而这里说到了 CWG 1227，这个问题编号表示：当多个默认模板参数有依赖关系时，替换顺序是从前往后依次进行，前一个失败则后面不替换。所以该例子实际上不会报错