C++: 延遲函式實例化與 CRTP

Curiously recurring template pattern (CRTP) 是很有趣的模式，在標準函式庫中也有像 enable_shared_from_this 等應用，各種應用情境請參照前面的 Wiki 頁面。下面寫一個簡化的例子：

template<typename T>
struct base {
  auto interface() {
      return static_cast<T*>(this)->foo();
  }
};
struct derived : base<derived> {
  int foo() { return 123; }
};
int main() {
  // your code goes here
  derived().interface();
  return 0;
}

這個範例中的 auto interface() 寫法，在 C++14 後才支援，在 C++11 以前，編譯器無法自動推導出 int 這個回傳型別而會吐出以下錯誤：

error: 'interface' function uses 'auto' type specifier without trailing return type
     auto interface() {
                    ^

也就是我們得自己寫出 auto interface() -> XXX {} ；那要 XXX 要怎麼推導呢？
直覺的寫法：

template<typename T>
struct base {
    auto interface() -> decltype(static_cast<T*>(nullptr)->foo()) {
        return static_cast<T*>(this)->foo();
    }
};

利用 decltype 取得 T::foo() (也就是 derived::foo()) 的回傳型別；不過會看到下面的錯誤訊息：

In instantiation of 'struct base<derived>':
required from here
error: invalid use of incomplete type 'struct derived'
auto interface() -> decltype(static_cast<T*>(nullptr)->foo()) {
                                ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~~
note: forward declaration of 'struct derived'
struct derived : base<derived> {
       ^~~~~~~

原因是，當 T 是唯一的 相依名稱 (dependent name) ，實例化流程是

1. struct derived  // 僅有型別名稱，還未定義
2. struct base<derived>
3. base<derived>::interface() {}

在第三步的時候，derived 的定義還不完整 (incomplete type) ，而造成上面的錯誤。

因此我們需要的是 延遲 base<derived>::interface 的實例化，延到甚麼時候呢？直到它被呼叫的時候，也就是 derived().interface() 這一行。而延遲實例化的手法就是把這個函式樣版化 (增加相依名稱)：

template<typename T>
struct base {
  template<typename U = T>
  auto interface() -> decltype(static_cast<U*>(nullptr)->foo()) {
      return static_cast<U*>(this)->foo();
  }
};

如此一來，template<typename U> base<derived>::interface 的實例化就被延後到 derived 已經是具體型別之後，也就能正確推導出 foo 的回傳型別。有趣的是即使有預設樣版參數，仍不影響這個延遲。而且，這個技巧 C++98 也適用。

這樣看下來 C++14 其實完備了許多，寫個 auto 就大功告成啦！

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