在模板 class 内声明的朋友模板函数导致未定义的符号 link 错误

Question

几天来我一直在苦思冥想，查找它并在开源项目中寻找类似的代码：真的找不到我做错了什么。

基本上，给定以下代码（提炼出其本质）：

#include <iostream>


using std::cout;
using std::endl;
using std::string;

template <typename T>
class Node {
    T value_;
public:
    Node(const T& value) : value_(value) {}
    T const value() const { return value_; }

    friend
    std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<T>& node);

    Node<T> operator +(const Node<T>& other) {
        return Node(value() + other.value());
    }
};


template <typename T>
std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<T>& node) {
    return out << node.value();
}

在这样的代码中使用时：

int main(int argc, char* argv[]) {

    Node<string> node("node X");
    cout << node << endl;

    Node<int> three(3);
    cout << three << endl;

    return EXIT_SUCCESS;
}

我收到以下链接器错误：

Undefined symbols for architecture x86_64:
  "operator<<(std::__1::basic_ostream<char, std::__1::char_traits<char> >&, Node<std::__1::basic_string<char, std::__1::char_traits<char>, std::__1::allocator<char> > > const&)", referenced from:
      _main in StlPractice.cpp.o
  "operator<<(std::__1::basic_ostream<char, std::__1::char_traits<char> >&, Node<int> const&)", referenced from:
      _main in StlPractice.cpp.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64
clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)

据我所知，以上都是合法的C++11代码；模板定义明确，但它似乎以某种方式逃避了链接器找到它的能力。

这是在 OS X:

上使用 cmake 构建的

cmake_minimum_required(VERSION 3.3)
project(simple_template)

set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -std=c++11")

set(SOURCE_FILES src/simple_template.cpp)

add_executable(simple ${SOURCE_FILES})

什么给了？

提前致谢！

更新在这个问题之后，我也运行以下内容，结果相同：

$ clang++ src/simple_template.cpp 
Undefined symbols for architecture x86_64:
  "operator<<(std::__1::basic_ostream<char, std::__1::char_traits<char> >&, Node<std::__1::basic_string<char, std::__1::char_traits<char>, std::__1::allocator<char> > > const&)", referenced from:
      _main in StlPractice-e20370.o
  "operator<<(std::__1::basic_ostream<char, std::__1::char_traits<char> >&, Node<int> const&)", referenced from:
      _main in StlPractice-e20370.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64
clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)

Answer 1

class as friend 里面的声明是非模板函数，class 外面的定义是模板函数，它们不匹配。而对于 overload resolution，非模板函数将在模板函数特化之前被选中，这就是为什么会出现未定义符号 link 错误。

您可以将声明更改为模板函数：

template<typename X>
friend std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<X>& node);

LIVE

或者在class里面定义函数：

friend 
std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<T>& node) { return out << node.value(); }

LIVE

Answer 2

您的定义将匹配您没有的模板化好友声明。

有时您只想允许非常特定的 Node<T> 类型，所以您可以这样做。

http://rextester.com/GZKCJQ35441

template <typename T>
class Node {
    T value_;
public:
    Node(const T& value) : value_(value) {}
    T const value() const { return value_; }

    friend 
    std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<T>& node);

    Node<T> operator +(const Node<T>& other) {
        return Node(value() + other.value());
    }
};

std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<int>& node) { return out << node.value_; }
std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<string>& node) { return out << node.value_; }

或者简单地改变你的定义，让它成为一个模板化的朋友。

Answer 3

大致有三种方法可以为您的 class 模板重载 operator<< Node<T>:

既然你提供了一个public成员函数value()，你实际上并不需要一个friend，而是可以完全用术语定义一个非友元非成员函数模板Node<T>

public

Live Example 1:

template <typename T>
std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<T>& node) {
    return out << node.value();
}

对于 Node<T> 的每个特化，您可以使用您定义 in-class 的非成员函数（并且它将存在于包含您的 class 模板的名称空间中)

Live Example 2:

template <typename T>
class Node {        
    // generates a non-template operator<< for this T
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Node<T>& node) {
        return out << node.value_;
    }   
};

对于 Node<T> 的每个特化，您可以通过使用 operator<< <> 语法（或等效的 operator<< <T> 声明 friend 来定义函数模板的伴随特化语法）

Live Example 3

// forward declare to make function declaration possible
template <typename T>
class Node;

// declaration
template <typename T>
std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<T>& node);

template <typename T>
class Node {
    // refers to a full specialization for this particular T 
    friend std::ostream& operator<< <>(std::ostream& out, const Node<T>& node);    
    // note: this relies on template argument deduction in declarations
    // can also specify the template argument with operator<< <T>"    
};

// definition
template <typename T>
std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Node<T>& node) {
    return out << node.value_;
}

还有第四种可能，将template <typename U> operator<<(std::ostream&, const Node<U>&)到class模板的所有特化Node<T>交友（@songyuanyao回答的第一个选项），但我认为太过分了。

如果您可以根据 public 接口表达 I/O，我建议使用选项 1，否则使用选项 2 或 3。这两者大部分是等价的，在参数推导期间的名称查找和隐式转换方面有一些细微差别。

在模板 class 内声明的朋友模板函数导致未定义的符号 link 错误

Friend template function declared inside template class causing undefined symbol link error

c++

templates

operator-overloading

friend

c++11