C++ template 為什麼不能推導返回值類型？

例如：

template&
T value()
{
// for expample
T* ptr = static_cast&(_ptr);
return *ptr;
}


希望能有透徹一點的解釋。如果有什麼解決方案（如C++11和boost的一些高級用法），也希望能一併回答出來。

謝謝。

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討論之前先說一下，結合上面的補充說明來看，這個問法其實有一點點瑕疵，這也導致了大家在回答時的一些誤會。題主這麼問，是因為 C++ 確實提供了函數模板的參數類型推導（通過調用方提供的信息，自動推斷並填充到模板參數，從而避免用戶手動指明模板參數）。

這樣看，這個問題的正確提法應該是這樣的：

「C++ template 為什麼不能像典型的參數類型推導那樣，通過判斷調用方提供的返回值類型，將其自動填充到模板參數，從而避免用戶手動指明模板參數？」

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看了一下現有的回答，發現大家在 「類型推導」 (Type Deduction) 上，其實沒有在說同一件事，所以我覺得有必要先澄清一下這個概念。

@Milo Yip 同學在 @黃柏炎 同學答案的評論中提到：「並不是從調用方推導。C++14可以靠return的類型推導。」

那麼 "C++14 返回值類型推導" 和題主問到的 "函數模板參數類型推導" 是一碼事嗎？

答案是否定的。我這裡詳細說明一下。

題主的例子中，所謂 "推導" 指的是編譯器在某些情況下，可以根據調用方提供的信息來補全用戶未提供的模板參數，是模板實例化 (template instantiation) 的一個步驟，發生的時機是在函數模版的調用時(invoke time of function template)。也就是說，當需要的時候，每次模版函數的調用，均會 (根據調用方提供的信息) 觸發一次潛在的模板參數類型推導。

而 @空明流轉 , @vczh@Milo Yip 等同學在答案或評論中提到的 "C++14 返回值類型推導"，則分為普通函數和模板函數兩種情況：

1. 當為普通函數時，返回值類型推導是函數體的一部分，發生在函數定義 (function definition) 時。舉個栗子，形如 auto foo(int typedArg) { return typedArg; } 的函數，在定義時已可完全確認返回值類型為 int 了。

2. 當為模板函數時，返回值類型推導仍為函數體的一部分，但需根據其"是否依賴模板參數類型"來決定發生於定義時還是實例化時。當返回值類型依賴模板參數類型時，情形正如 @vczh 同學舉的例子；當返回值類型不依賴模板參數類型時，則退化為 1. 中的普通函數調用情況。

請注意，對於 2. 中提到的 @vczh 同學舉的例子，調用方仍需提供模板參數類型，無論是藉助編譯期推導還是手工填充。

總得來說，"C++14 返回值類型推導" 是一個正向過程，只是語法上的一種簡化 (syntax simplification)，而語義上與原來的函數完全一致。而題主問到的 "函數模板參數類型推導" 是一個反向過程，在語義上，返回值的類型"接受推導"和"不接受推導"會導致截然不同的函數特化和調用。

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好了，辨別清楚了概念，現在我們來正面回答這個題目：

為了儘可能與 C 保持語法和語義上的兼容性，在 C++ 中，對於函數的調用方而言，返回值總是可以忽略的。

也就是說，對於給定的函數

int foo()
{
return 0;
}


調用方可以這麼寫：

foo(); // 忽略返回值


對於模版函數而言，如果依賴返回值做模板的類型推導，就會出現由於調用信息不全導致的二義性。

還是剛才這個例子，我們改為對應的函數模版，

template &
T foo()
{
return T(0);
}


假如我們允許藉助返回值來推導（如下所示）

int a = foo(); // 特化為 foo&()
double b = foo(); // 特化為 foo&()


那麼當調用方像之前的例子那樣調的時候，編譯器就沒辦法處理了：

foo(); // 報錯，因為缺乏足夠信息做模板實例化


正如 @黃柏炎 同學所提到的，函數重載時，情況雖略有不同，導致了語義上的處理稍有不同，但最後也產生了類似的效果。

那麼總結一下，一句話結論——「為了與C保持兼容，返回值並非是調用函數時的必要條件，因此函數模版類型推導和函數重載都不能且不應依賴返回值。」

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如果你只想了解這個問題本身，那麼到剛才的一句話結論就可以結束了。然而，對模板而言，函數返回值與函數簽名之間的關係實際上要更複雜一些。咱們剛剛也提到，函數模版類型推導和函數重載，看起來在語法上具有某種形式上的一致性，兩者在語義上是有所不同的。如果您感興趣，可以接著往下讀，我們刨根問底一下，看看返回值究竟在函數簽名中扮演了什麼角色，順便弄清楚兩者究竟有何不同。

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先解釋一下函數類型 (Function Type) 和函數簽名 (Function Signature) 吧。

在 C++ 中，函數類型 (Function Type) 與函數簽名 (Function Signature) 是兩個完全不同的概念。在我的理解中，前者主要是給程序員用的，通常用來定義函數指針 (形如 void(*)() ) 和函數對象 (形如 std::function&)；後者主要是給編譯器用的，通常用於重載決議 (Overloading Resolution)，模版特化 (Template Specialization) 及相關的類型推導 (Type Deduction)，鏈接時生成獨一無二的全局標識 (Name Mangling)。

標準規定 (見 1.3.11 對函數簽名的說明和 14.5.5.1 對模版函數特化時簽名的補充說明)：

1. 對於普通函數(非模版函數)，函數的簽名包括未修飾的函數名 (function name) ，參數類型列表 (parameter type list)和所在類或命名空間名 (class and namespace name)
2. 對於類成員函數，函數的簽名除了 1 中提到的以外，還包括 cv 修飾符 (const qualifier and volatile qualifier) 和引用修飾符 (ref qualifier)
3. 對於函數模板，函數的簽名除了 1 和 2 中提到的以外，還包括返回值類型和模板參數列表
4. 對於函數模板的特化 (function template specilization)，函數的簽名除了 1, 2 和 3 中提到的以外，還包括為該特化所匹配的所有模板參數(無論是顯式地指定還是通過模板推導隱式地得出)

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下面，我們先來挨個看看如何用標準來解釋上面的幾種行為，再來看看標準為什麼對函數的簽名做這樣的規定。

Q1: 普通的函數重載時發生了什麼？

A1. 函數的重載決議機制，依賴了函數簽名的獨特性。標準的 1 和 2 中，並沒有提到返回值類型，因此我們可以認為，僅有返回值不同的函數重載是無效的，因為根據標準，它們簽名是完全一致的。

例如下面兩個函數：

void bar() {}
int bar() { return 0; }


在函數定義（不用等到調用）的時候就無法通過編譯，因為同一個編譯單元 (translation unit) 中出現了兩個簽名一致的函數。

Q2: 函數模板實例化時發生了什麼？

A2. 根據 3 和 4 可以知道，通過在簽名中包含返回值類型和模板參數列表，一個函數模板及其若干特化得到了某種程度上的強類型保證，當所提到的類型不一致時，編譯器有機會報出對應的錯誤。

Q3: 函數模板實例化時，如果觸發了類型推導，發生了什麼？

A3. 當類型信息提供不完全，需要編譯器推導時，從 3 可以知道，由於簽名中已經包含了所有必要的信息，編譯器有能力藉助簽名本身得知必要的類型信息並進行補全。

Q4: 函數模板實例化時，跟返回值相關的行為是什麼？

A4. 返回值是簽名的一部分，這個事實導致了下面的定義方式成為可能：

template& int f() { return 0; }
template& double f() { return 0.0; }


請注意，跟 Q1 中 "定義時就無法通過編譯" 不同的是，這兩個同名同參的函數的定義是可以通過編譯的，因為根據 3 可以知道，返回值是簽名的一部分，這兩個函數的簽名是不同的。但實際使用時，根據我們之前的「一句話結論」中提到的，（為了與C保持兼容，返回值並非是調用函數時的充分必要條件），當真正的調用發生時，編譯器有可能缺乏足夠的信息去了解返回值的類型，也就不知道該把函數調用決議到哪一個函數定義上去。這個錯誤理論上來講可以是一個鏈接錯誤，但由於在函數定義的編譯階段已經可以得到了兩個不同的函數，那麼實際結果是在調用方的編譯階段就可以報出錯誤了。

Q5: 模板特化和重載決議同時觸發時，會發生什麼？

A5. 喜歡刨根究底的同學肯定會產生這個疑問，這裡我們舉兩個例子：

例子1，這個例子中，我們不僅期望函數模板會自動推導模板參數，而且期望編譯器能夠選擇正確的重載版本去調用

template&
int f(T)
{
return 1;
}

template&
int f(T*)
{
return 2;
}

int main()
{
std::cout &<&< f(0) &<&< std::endl; std::cout &<&< f((int*)0) &<&< std::endl; }

例子2，這個例子中，我們重載了模版函數和非模板函數，和例子1一樣，我們不僅期望 (在必要時) 函數模板會自動推導模板參數，而且期望 (在必要時) 能夠選擇正確的重載版本去調用：

#include &
#include &

template&
std::string f(T)
{
return "Template";
}

std::string f(int)
{
return "Nontemplate";
}

int main()
{
int x = 7;
std::cout &<&< f(x) &<&< std::endl; }

這裡我就賣個關子，不給出解釋了，大家也先不要急著到編譯器里去驗證，根據我們前面講述的知識，可以先試著通過思考，回答下面幾個問題：

1. 這兩個例子中的函數，在定義能通過編譯嗎？調用時能通過編譯嗎？
2. 如果能夠運行的話，編譯器會做出我們期望的重載決議和類型推導嗎？

弄明白了這兩個例子，Q5的問題自然也就得到解答了。

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好了，通過這一系列的追問，我們總算把相關的行為給解釋清楚了。想清楚了上面這些細節，我們也就可以很輕鬆地認識到標準這麼規定的理由，說穿了非常簡單，就是兩點：

1. 始終保證簽名的全局唯一性。
2. 始終保證同一個模板的本體和其所有的特化，在簽名上的相關性。

具體地說，

• 條目1使得函數簽名這個機制被用於函數重載的決議成為可能
• 條目2使得函數簽名這個機制被用於模板特化時的類型推導成為可能

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嗯，這個問題還是蠻有趣的，不知不覺也討論了這麼多。

應該沒有落下什麼吧。那麼先這樣吧，有問題的話再補充。

[ 注 ]

本文同時發在我的 blog (由於對 markdown 的支持，在那裡或許可獲得更好的閱讀體驗)

[知乎] C++ template 為什麼不能推導返回值類型？

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C++14 可以:

template& auto foo(A a, B b) { return a + b; }


要讓返回值參與「重載解析」，需要一點「奇技淫巧」，具體請參考：怎樣讓C++函數重載時連返回值類型也加入重載決議?

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關於return type自動推導的問題，請參見C++14。只能說C++11沒來得及做這個部分。在有函數體的時候編譯器是有能力推導返回值結果的。

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T沒被參數用到的一般要寫成這樣才能自動推導，譬如說

template&
auto Add(Fuck fuck, Shit shit)-&>decltype(fuck+shit)
{
return fuck + shit;
}


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我想到一個類似的問題：函數重載的時候，為什麼不能重載返回類型不一樣的函數，例如，下面是非法的：

int dosth(int p1);
bool dosth(int p1);


我的理解是，在你真正調用這個函數的時候，你可以不接受返回值：

dosth(10);

此時，編譯器根本無從推導到底該用哪個函數。

模板函數返回值推導同理。

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你的寫法肯定是錯的。你的 T 是推導不出來，因為 C++ 中的模板函數，模板參數是由函數參數來推導的，而不是函數的返回值。而你的函數參數是空的。

你這種寫法只有外部調用的時候，顯式指定模板參數類型才能通過，比如這樣：

int i = value&();


但我想這不是你本意吧？

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#include &

using namespace std;

template &
T function() {
return T();
}

int main() {
cout &<&< function&() &<&< endl; }

這樣可以。

但是不知道是不是和用的VS 2013有關係。

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