最終更新日時(UTC): 2022年12月28日 03時41分09秒
onihusube が更新

特殊化のアクセスチェック(C++20)

概要

クラスCの内側で宣言されたクラス（ローカルクラスimpl）がprivate/protectedで宣言されている場合、テンプレートの文脈でCの外側からimplを参照することは禁止されていた。しかし、実際にはほぼ全てのコンパイラでこれは許可されており、実際に使用されていた。

template<class T>
struct traits;

class C {
  class impl; // クラス内ローカルクラス
};

// C++17まではill-formed、しかし実際にはほぼ全てのコンパイラでエラーにならなかった
// C++20からはok
template<>
struct traits<C::impl>;

ただし、このimplがクラステンプレートになるとコンパイラによってはエラーとなっていた。

class C {
  template<typename U>
  class impl{}; // クラス内ローカルクラステンプレート
};

// C++17まではill-formed、しかし一部のコンパイラではエラーにならなかった
// C++20からはok
template<>
struct traits<C::impl>;

C++20からはこれらの場合の挙動が標準化され、アクセス指定やテンプレートであるかに関わらずローカルクラスをその親クラスの外側からテンプレートの文脈で参照することが許可されるようになる。

仕様

通常のアクセスチェックルールは、テンプレートの部分特殊化のテンプレート引数を指定する名前（非依存名）に対しては適用されない。
通常のアクセスチェックルールは、明示的特殊化の宣言及び明示的インスタンス化内の名前に対しては適用されない。
- 関数本体、デフォルト引数、基底クラスのリスト、メンバ宣言、列挙子宣言、静的メンバ変数、変数テンプレートの初期化子内の名前を除く

部分特殊化のテンプレート引数の依存名については、部分特殊化宣言時にはアクセスチェックされないが、部分特殊化の置換時にはチェックされる。

class C {
  template<typename U>
  class impl{};
};

// プライマリテンプレート
template<typename T, typename U>
struct traits;

// 部分特殊化
template<typename T, typename U>
struct traits<C::impl<T>, U> {}; // ok、部分特殊化の宣言、インスタンス化時には依存名でなくなる

// 他のテンプレート
template<typename T>
struct S {
  traits<C::impl<T>, int> t;     // ng、Sのインスタンス化に伴って部分特殊化の置換が発生し、C::impl<T>は依存名なのでアクセスチェックが行われる
};


int main() {
  S<int> s;
}

この機能が必要になった背景・経緯

冒頭で示した例は抽象的で出会うことは少なそうに思われるが、実際にはこのようなコードは範囲を表すクラスのイテレータ型の実装においてよく行われていた。

template<typename V>
class my_view {
  template<typename T>
  class my_view_iterator;
};

template<typename T>
struct std::iterator_traits<my_view<int>::my_view_iterator<T>>;

このようなイテレータの実装方法はC++17以前にもよく行われており、C++20の<ranges>の一部のview型の実装においても行われる。これを放置すると、そのようなview型ではポータブルかつ合法的にstd::iterator_traitsを使用することができなくなる。

そのため、C++20においてこの振る舞いを実装間で統一するために、テンプレートの文脈でプライベートローカルクラス（テンプレート）を参照することが許可された。

検討されたほかの選択肢

この問題を解決する他の方法として、friend宣言を拡張してプライベートローカルクラスへのアクセスを明示的に許可しようとするものがあり、次のような3つのオプションが検討された

プライベートローカルクラスを持つクラスで、そのローカルクラスを使用したテンプレート特殊化のfriend宣言によってアクセス権を与える
プライベートローカルクラス定義内で、自身を使用したテンプレート特殊化のfriend宣言によってアクセス権を与える
テンプレートの特殊化ではなくテンプレートのfriend宣言によってアクセス権を与える

namespace option1 {

  class C {
    template<typename U>
    class impl;

    // オプション1によるfriend宣言
    template<class U>
    friend struct trait<impl<U>>;
  };
}

namespace option2 {

  class C {
    template<typename U>
    class impl {

      // オプション2によるfriend宣言
      friend struct trait<impl>;
    };
  };
}

namespace option3 {

  class C {
    template<typename U>
    class impl;

    // オプション3によるfriend宣言
    friend trait;
  };
}

オプション1とオプション2には次のような欠点がある

必要ない場合でもtraitの定義にクラスCへの特権アクセスを与えてしまう
1と同じ欠点に加えて、宣言のなされたローカルクラスではなくその外側のクラスに対するアクセス権が与えられるという点が奇妙（構文とその意味が一致していない）

オプション3そのものには特に欠点は無かったが、このマイナーな問題を解決するためだけの言語機能となることや、全てのオプションにおいてその機能を追加したことによる影響を調査する必要があるなどの問題があった。

この問題に関する既存の振る舞いは少なくとも15年間よく利用されるコンパイラで実装されており、特に問題なく利用されていた。この既存の振る舞いを標準化するだけならば、特定用途のための新しい言語機能を追加する必要がなく他の方法に比べて安全性が高いため、friend宣言を拡張する方向性は採用されなかった。

参照

P0692R1 Access Checking on Specializations