C++中，C::C::C::C::foo() 为什么编译成功？

有人问：

class Entity
{
public:
    static void foo() {}
};

int main()
{
   Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::foo();
}

为什么最后那行：

Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::foo();

能编译成功？这是什么规则？

嗯……

Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::foo() 竟然编译成功？这一切的背后，是人性的扭曲，还是道德的沦丧？敬请关注今晚八点 CPPTV 12 频道，让我们跟随镜头走进厚厚的C++标准文档……

这个案例，至少牵涉到 C++ 中的以下知识点：

“Unqualified name lookup / 未限定的名字查找”
“Qualified name lookup / 有限定的名字查找”
“Injected-class-name/ ‘注入式’类名称 ”以及特别关注其中的 “Injected-class-name and constructors / ‘注入式’类名称和构造函数的关系 ”。
“ Elaborated type specifiers / 详细的类型说明符 ”

如果被限定的名称，最终发现是一个C++基础类型（bool, int, char 等），那还得牵涉出： "pseudo-constructor-name 或 pseudo-destructor-name / 伪构造或伪析构名字 ” 等等

首先我们从 “Qualified name lookup ” 的一特例说起： A::A 表示什么？

如果 A 是一个类（或结构，或相应的别名，以下均只以“类”代表），并且在上下文限定中，查找 A 符号的过程无须过滤掉函数名称，那么， A::A 就只能表示 A 的构造函数的名字。比如：

struct A {};

using T = A::A;  // 编译失败
int main() {}

问： using 这行代码能编译通过吗？

答：不行的，编译将得到类似 “A::A 是构造函数，不是类型”这样的出错信息。如下图：

这是一个特例，如果 A 有一个基类叫 B，则 A::B 立刻表示一个类型（即 B ），如：

struct B {};
struct A : B {};

using T = A::B; // 编译成功

int main() {}

那要怎么让 A::A 请示 struct A 这个类型呢？这就要用上 “Elaborated type specifiers”。方法是加上 typename 或 class 或 struct 之一。只要加上三者之一即可，并不需要和 A 倒底是 struct 还是 class 对应上。因为加上这三者，就是为了很 “elaborated ”地表示：这是一个类型。

我们就选 “typename”，因为它看起来如此直观：“类型名”:

struct A {};
using T = typename A::A;  // 编译成功
int main() {}

这时候生效的是C++的哪一条规则呢？答，“Qualified name lookup / 有限定的名字查找” 。先从操作符 “:: ”说起。

“ :: ”被称为 “ scope resolution operator ” ，用于限定一个符号的查找范围，它的右边的符号，直观上，我们会叫它是“查找目标”，它的左边，直观上会叫它 “查找范围”。比如 C::F ，很容易推想：编译器的查找过程就是在 C 的有效范围里，查找符号 F 是什么东东。如果是C是一个class/struct，那查找范围还可扩大到它的基类（如果有）。事实上，C++标准也确实规定了：解析 C::F 时，编译器必须先解析 C ，再解析 F……然而，C++标准又规定了，在解析 C::F 中的C时，应该加某种优先级，跳过 “Unqualified name lookup”，以尝试将 C 解析为某个类名（class\struct\union）、namespace 或枚举名（本质也是类型名）。比如，下面的代码肯定编译失败：

struct a 
{
   static int i;
};

int a::i;

int main()
{
    int a;
    a a1; // 编译失败。
}

“a a1;” 这行中的 a ，没有加任何空间限定，所以在查找它是什么时，用的是 “Unqualified name lookup / 未限定的名字查找”，其方法就是就近往前找，于是找到 a 是一个 int 变量（而不是一个类型），自然， “a a1;” 语法错误。

怎么让编译器知道我们希望写在这里的 a 是一个类（或结构）呢？直观的想法当然是它加上限定：

struct a 
{
   static int i;
};

int a::i;

int main()
{
    int a;
    a::i = 666; // 编译成功
}

编译器解析过程如下：看到 “a::i”中有个 “::”，于是采用 “Qualified name lookup ”，于是此处的 a 不受上面的 “int a”影响，优先将它当成类类型、namespace、或enum 查找……于是找到 struct a 。而 struct a 里面正好有个静态成员 i，满足 “a::i = 666”的操作……

注意，这个名字查找过程中，“a::i”基本被视为一个整体。否则，如果按要求，一定要先解析出 :: 的左边的 a 是什么的话，那由于它本身未再有新的限定（它的左边不再有 :: ），那么，它就应该被解析为一个整数变量；然后，整数变量后面接 “::i”，显然是错误的语义，编译失败——但实际情况是，编译成功了。因为，加了“::”后，“Qualified name lookup ”的优先级高于“Unqualified name lookup”了。

不过，这个“优先级”是有限的。如果两条或更多 “Qualified name lookup”的限定规则时，此时大家都是“有身份/Qualified”的人，谁也不比谁优先，于是编译器就只能报错了，比如：

namespace n1 {
struct a 
{
   static int i;
};

int a::i;
} // namespace n1

int main()
{
    int a;
    a::i = 666; // 编译失败，正确做法： n1::a::i = 666; 或 上面 加 using namespace n1;
}

a::i 仍然使用带限定的名字查找法，仍然优先于 int a 中的 “a”的作用；但它却找不到合适的 a了：现在 struct a 位于另一个“qualified / 有限制的” 的空间范围内： n1 。此时，要么加上 using namespace n1 ，要么明确使用 n1::a::i 。

对于“Qualified name lookup”, 我们还有个补充：在一个类（假设类名为 C）的范围里写代码，此时对符号的查找，哪怕不加 “ C::”限定，也是会在 “Unqualified name lookup” 失败之后，主动加上“C::”作为 “Qualified”，再找一次的。

距离扣题，还有最后那么几步……上面我们讲了规则是什么什么，但没有讲为什么有这些规则；所以我们还需要一些规则必要性解释及“有某规则和没有某规则”的对比：

很早很早以前，那时的C++的class内，是不会自动采用 “Qualified name lookup”再查找一次的，所以：

/* 曾经，约30多年前的C++, 这个类定义会编译失败 */
class Coo
{
    char c;
public:
    void M()
    {
        c = 'A'; // 编译成功， 往前找 c ，发现它是 char
        a = 1;   // 编译失败，a 是什么？
        m();     // 编译失败， m 是什么？
        T t; // 编译失败，T 是什么？
    }   
private:
    typedef int T;
    void m();
    int a;
};

「纯猜测」 C++之父写的示例代码，到现在也常常将私有成员放在最前面，我怀疑他并不是为了省写一次“private”，我怀疑他就是习惯了之前的查找法。

注意上面的表达，当没有明确写 “::”时，在类中也仍然优先使用“Unqualified name lookup”，所以这才有C++程序员都熟悉的，非常“经典”的某种写法：

class Coo
{
public:
    Coo(int a, int b) : a(a), b(b) {}
private:
    int a, b;
};

以其中的 “a(a)”为例，表意是用括号中（右边）的 a 初始化括号外（左边）的 a 。两个 a 都不带 “::” 限定，因此都优先使用 “Unqualified name lookup”，而后括号中的 a 解析成功，括号外的 a ，因为要作为初始化的目标，所以不可能构造函数的入参中的 a ，于是改用 “Coo::a ”进行“Qualified name lookup”，这回成功了。

现在来看问题中的 Entity ：

class Entity
{
public:
     static void foo();
}

首先，如何按 “特例” A::A ，如果A是一个class/struct/，则A::A 必然用于表示类A 的构造函数名字这规定，那么题目中的这个写法：

Entity::Entity::Entity::foo();

感觉是不合语法的。因为一开始的 “Entity::Entity” 就应该得到一个构造函数的名字，而构造函数名字后面再接“::Entity::foo() ……” 是不合语法的。注意，如果没有的最后的 ::foo()，两个或更多的 Entity:: 相连，仍然在表达一个构造函数。但在语法上，构造函数被不允许被直接调用（析构函数倒是可以），因此，能正确使用 A::A::A::A::A 这样的写法，基本就是在构造函数的定义\实现的时候了，比如：

// class Entity 的构造函数实现 (能通过编译)：
Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::Entity()
{
}

在别的地方这么写，编译器仍然会识别出这是一个构造函数，但它会基于其它规则而报错，比如：

void foo()
{
    // 直接调用 （但可惜构造函数不能直接调用）
    Entity::Entity();   // 报错：哎呀，不能直接调用 构造函数
}

再如前面使用过的例子：

// 尝试取类型别名 （但人家 Entify 此处不是类型名 ）
using T = Entity::Entity::Entity; // 报错：哎呀，Entity 是构造函数的名字，不是类型啦

既然一串的 “Entity::Entity”表示的是构造函数的名字，那么怎么解释 “Entity::Entity::Entity::foo();”却通过了编译，并且在运行期正确地执行了静态成员函数 foo() 呢？

首先，我们要证明一下，“XXX::Foo”作为静态成员函数的调用的一方式，前面加的XXX一定是一个类名，而不是构造函数的名字。

其实不证明也可以，因为C++标准规范中讲解 static member function 的调用时，明确就说那个 XXX 是类名。但，证明一下也不难——

using T = typename Entity::Entity::Entity; //编译通过，T 现在就是类名

加了 typename （class, struct）之后，后面的 Entity::Entity::Entity ……就是“ Elaborated type specifiers / 详细的类型说明符 ”，于是它肯定是个类型名（type specifiers），于是 T现在肯定就是一个类名，事实上就是 class Entity。

然后我们假借 T 来调用静态成员：

T::foo(); // 成功

由此可证：foo() 前面的“T::”，就是一个“类型限定”（而不是我们意想天开的构造函数名字）。

有意思（其实超级烦人）的事来了：既然 T 就是 typename Entity::Entity::Entity，而 T::foo()，又能成功编译、运行；那我们为什么一定要取个别名呢？直接这样写不行吗：

typename Entity::Entity::Entity::foo();  // 行吗？不行！

这样写多直观啊！可惜，替换率竟然在此失效了。这样写编译失败。因为 typename 直接修饰到了 foo()，而 foo() 是函数调用，显然不是一个（位于Entity类内的）类型名称。

那么我们加上括号，强行改变结合率：

(typename Entity::Entity::Entity)::foo(); // 行吗？也不行！

也不行，因为 typename 不是一个操作符，没有优先级这一说。实际上，编译器(g++/clang）看到 typename 前面有个左括号，就直接报错了。

显然，我们按照所谓“A::A”的特例，来解释 “Entity::Entity::Entity::foo()”的合法性，是走不通的。并且还不能怪C++标准，只能怪我们自己，因为人家标准说很清楚，是 A::A ，或都 A::A::A，而不我们要解释的，其实是 A::A::F 。最后的符号是F而不是A，不满足特例。

Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::Entity::foo() 竟然编译成功？这一切的背后，原来既不是人性的扭曲，更不是道德的沦丧，而是我们眼花看错了，原来 Entity::Entity::foo 并不符合 C::C 的特例，是我们自己想多而已。

真是豁然开朗啊！原来这就是一个普普通通的 “Qualified name lookup”嘛！就是 C::F嘛！只不过是 C写了好多几次，变成： C::C::C::F 而已嘛！结合本例，把 C 用 Entity 代入，把 F 用Entity 的静态成员调用 foo() 代入，得到：

Entity::Entity::Entity::foo();

按照 “Qualified name lookup” 规则，:: 左边的 Entity 应优先按类名查找，于是找到 class Entity，并且它里面还正好有 foo 成员，并且还正好是一个静态成员，可以直接通过类名来调用，这就是： Entity::foo()。

切慢，前面还是有一大串 Entity::Entity:: 怎么解析或解释？也好办，既然已经是 C::F 形式，而不是特例 “C::C”形式，于是有关 Entity::Entity 是一个构造函数名字的选项，就已经失效，此时统一走 “Qualified name lookup”, 再结合 “Injected-class-name” 规则， Entity::Entity 就是得到类名 “Entity”，于是再多层 “Entity::Entity::Entity::Entity”，两两结合后，最终得到仍然是一个类名：“ Entity”。而类名 + :: + 静态成员函数，比如： “Entity::foo()”，不就是一次再普通不过的静态成员函数的调用吗？

夜色已深，古老的C++部落再次恢复它的安宁。

各位不要打我，其实我还是讲了很多C++方面的科学知识的。