带默认模板实参的类模板与模板模板形参的匹配

首先解释一下这个看起来很奇怪的标题。

“带默认模板参数的类模板”是指 Class template with default template-parameter，即一个类模板的部分或全部模板参数有默认值，比如：

template<typename T1, typename T2 = int>
struct Foo {
     };

有个很典型的例子是 std::vector，它其实有两个模板参数：

template<class T, class Allocator = std::allocator<T>>
class vector;

只不过绝大多数情况下，我们并不需要指定第二个模板参数，感觉上好像它就只有一个模板参数，比如：std::vector<int> vec;。

“模板模板参数”即 Template template parameter，也就是带模板的模板参数，比如：

template <template <typename> class C, typename T>
void bar(const C<T>& c) {
     }

这里面的 C 就是一个模板模板参数。

现在，问题来了，在已有上述类 Foo 和函数 bar() 定义的情况下，下面这个代码能够通过编译吗？

bar(Foo<int>{
    });

这个问题其实是在问，template<typename T1, typename T2 = int> 能不能与 template <typename> class C 进行匹配。

一方面，C 这个类模板只能有一个模板参数，而 Foo 是有两个模板参数的，所以看起来两者应该无法匹配。但另一方面，Foo 第二个模板参数有默认值，它在实际使用中完全可以看作只有一个模板参数，所以似乎可以匹配 C。

该问题答案是：取决于编译器！

参见 cppreference，C++17 引入了一个新的特性 Matching template template parameters to compatible arguments (模板模板形参与可兼容实参匹配，貌似没有更简单的名字，暂且叫它 MTTP2CA 吧) 来解决 CWG 150 问题，使得以下代码能够编译：

template<class T> class A {
     /* ... */ };
template<class T, class U = T> class B {
     /* ... */ };
template <class ...Types> class C {
     /* ... */ };
 
template<template<class> class P> class X {
     /* ... */ };
X<A> xa; // OK
X<B> xb; // OK in C++17 after CWG 150
         // Error earlier: not an exact match
X<C> xc; // OK in C++17 after CWG 150
         // Error earlier: not an exact match

所以，不支持 C++17 的编译器是不能编译 bar(Foo<int>{}); 的。但问题并不仅限于此，即使是目前最新的 Clang 12 和 MSVC v19，也都不行，只有 GCC 能够编译这样的代码，这是为什么呢？

原因是 MTTP2CA 特性其实有一个缺陷，假设上述 bar() 函数新增一个定义：

template <template <typename, typename> class C, typename T1, typename T2>
void bar(const C<T1, T2>& c) {
     }

此时 bar(Foo<int>{}); 匹配的是 void bar(const C<T>& c); 还是 void bar(const C<T1, T2>& c); 呢？

类似的，如果加入一个新的类模板：

template <class>
struct Bar;

template <template <class> class X, class T>
struct Bar<X<T>> {
     };

template <template <class, class> class X, class T, class U>
struct Bar<X<T, U>> {
     
};

那么 Bar<Foo<int>> a; 匹配的是 Bar<X<T>> 还是 Bar<X<T, U>> 呢？

事实上这两种情况在 MTTP2CA 中是没有定义的，也就是说 C++ 标准并没有规定此时应该匹配前者（一个模板形参）还是后者（两个模板形参）。我的测试结果是 GCC 会选择匹配后者。

因为这个未定义的情况，Clang 和 MSVC 在默认情况下隐藏了这一特性。Clang 可以通过 -frelaxed-template-template-args 编译选项来打开该特性，MSVC 我还没找到开启方法。

GCC 和 Clang 在该问题上的不一致还带来了一个比较神奇的现象：如果你 IDE 用的是 QtCreator，并开启了 ClangCodeModel 插件（自动分析代码问题，高版本 QtCreator 默认开启），那么在编译前面提到的代码时，QtCreator 会报错（ClangCodeModel 基于 Clang 对代码进行分析），但同时又能够编译成功（Linux 上的 QtCreator 默认使用 GCC 作为编译器）。