Во время работы наша команда постоянно сталкивается с некоторыми особенностями языка, которые могут быть неизвестны рядовому C++ программисту. В этой статье мы расскажем о том, как работает, казалось бы, обыденная вещь – forward-декларации классов.
Для начала ответьте на вопрос: скомпилируется ли следующий код?
namespace soundtouch
{
class SoundTouch
{
public:
class TDStretch *pTDStretch;
};
class TDStretch
{
public:
void *getInput() { return nullptr; }
};
}
auto bbb = soundtouch::TDStretch {};
int main(int argc, char** argv)
{
soundtouch::SoundTouch st;
st.pTDStretch = &bbb;
return !!st.pTDStretch->getInput();
}Если вас смутила декларация указателя pTDStretch, то поздравляю – она смутила и меня. Но перед тем, как разобраться в этом поведении, предлагаю ознакомиться с предысторией того, как мы отыскали сей интересный артефакт.
Этот код (в несокращённом варианте) мы встретили во время переработки системы типов в PVS-Studio. Перед нами появился вот такой "дифф" – это различие в срабатывании, которое возникает между стабильной и тестовой версией анализатора при прогоне на тестовой базе:
V547 Expression 'psp' is always true. - MISSING IN CURRENT SoundTouch.cpp 493
class SoundTouch : public FIFOProcessor
{
private:
/// Time-stretch class instance
class TDStretch *pTDStretch;
};
/// Class that does the time-stretch (tempo change) effect for the processed
/// sound.
class TDStretch : public FIFOProcessor
{
public:
/// Returns the input buffer object
FIFOSamplePipe *getInput() { return &inputBuffer; };
};
/// Returns number of samples currently unprocessed.
uint SoundTouch::numUnprocessedSamples() const
{
FIFOSamplePipe * psp;
if (pTDStretch)
{
psp = pTDStretch->getInput();
if (psp) // <=
{
return psp->numSamples();
}
}
return 0;
}Проблема была в том, что мы не могли связать вызов функции getInput с её декларацией. В процессе отладки выяснилось, что мы не можем найти объявление класса TDStretch. И действительно – при просмотре кода его не найти! Но откуда мы находили декларацию этой функции раньше, до переработок? И почему мы находили её во внешнем классе? Должно быть, это какая-то ошибка, и этот код на самом деле не должен компилироваться.
Упрощаю пример для Compiler Explorer и проверяю на компилируемость... Стоп, что?!? Оно компилируется?!? Но почему? Спрашиваю об этом тимлида – он тоже в недоумении. Пришлось идти и раскапывать стандарт. В процессе совместных раскопок выяснилось, что это на самом деле ожидаемое поведение. Давайте посмотрим, что же лежит внутри сундука...
Итак, смотрим в стандарт C++, чтобы понять, в каком месте должен быть объявлен класс. Оно определяется в разделе [basic.scope.pdecl] p7.
Если декларация имеет вид:
class Foo;то объявление будет находиться в той области видимости, в которой находится декларация. Например:
struct Foo; // declaration of class '::Foo'
// definition of previously-declared class '::Foo'
struct Foo
{
struct Bar; // declaration of class '::Foo::Bar'
};
// definition of previously-declared class '::Foo::Bar'
struct Foo::Bar
{
};
namespace Baz
{
struct Qux; // declaration of class '::Baz::Qux'
}
// definition of previously-declared class '::Baz::Qux'
struct Baz::Qux
{
};Иначе, если класс объявлен в параметрах или возвращаемом значении функции, то класс будет находиться в namespace, где объявлена функция. Например:
void func(class Foo *p); // declaration of class '::Foo'
struct Bar
{
struct Baz *funcReturningClassPtr(); // declaration of class '::Baz'
};
namespace Qux
{
struct Quux *anotherFunction(); // declaration of class '::Qux::Quux'
}
// definition of previously-declared class '::Baz'
struct Baz {};
// definition of previously-declared class '::Qux::Quux'
struct ::Qux::Quux {};Иначе класс будет находиться в ближайшем блоке или namespace. Например:
struct Foo
{
class Bar *baz; // declaration of class '::Bar'
};
void func()
{
struct Baz *ptr; // declares local class 'Baz'
struct Baz {}; // definition of previously-declared class 'Baz'
}
namespace Qux
{
struct Baz
{
struct Quux *ptr; // declares class '::Qux::Quux'
};
}Для этого случая есть одно исключение – friend-декларации. Они на самом деле не внедряют никаких новых имён.
Более подробно правило описано в стандарте (см. ссылку выше).
В нашем случае используется последний пункт. Однако стоит дописать class TDStretch; в класс SoundTouch, то код компилироваться не будет.
Стоит отметить ещё один важный пункт. Не всегда конструкция class Foo; декларирует новый класс. Она может ссылаться на уже объявленный класс, причём не обязательно он должен находиться в текущей области видимости.
Данное поведение регламентируется стандартом в разделе [basic.lookup.elab] под пунктом 2:
If the elaborated-type-specifier has no nested-name-specifier, and unless the elaborated-type-specifier appears in a declaration with the following form:
class-key attribute-specifier-seqopt identifier ;
the identifier is looked up according to [basic.lookup.unqual] but ignoring any non-type names that have been declared.
If the elaborated-type-specifier is introduced by the enum keyword and this lookup does not find a previously declared type-name, the elaborated-type-specifier is ill-formed.
If the elaborated-type-specifier is introduced by the class-key and this lookup does not find a previously declared type-name, or if the elaborated-type-specifier appears in a declaration with the form:
class-key attribute-specifier-seqopt identifier ;
the elaborated-type-specifier is a declaration that introduces the class-name as described in [basic.scope.pdecl].
Изначально, когда компилятор встречает данную конструкцию, он выполняет unqualified lookup указанного имени. Если имя было найдено, то данная конструкция ассоциируется с найденной декларацией.
Иначе, если имя найдено не было, оно декларируется по правилам, которые мы рассмотрели в предыдущем разделе. Например:
struct Foo
{
class Bar *ptr; // declaration of class '::Bar'
};
namespace Baz
{
class Bar *anotherPtr; // uses previously-declared class '::Bar'
}В этой статье мы рассмотрели интересную и неочевидную особенность языка. Надеемся, что она оказалась полезной и поможет вам в чтении и написании кода. А те, кто ответил, что код в первом примере – компилируется, можете считать себя гуру C++!
Если вас интересуют и другие тонкости языка C++, то приглашаю в наш блог. Вот несколько интересных технических статей: