Краткий ответ

Такая функция становится функцией пространства имён, но остаётся скрытой от обычного неквалифицированного поиска имени, если отдельное объявление в пространстве имён не сделано. ADL находит её по ассоциированному типу аргумента, поэтому вызов с объектами соответствующего шаблонного класса работает.

При инстанцировании шаблонного класса обычно создаётся отдельная функция для каждой специализации класса. Это позволяет связать операцию непосредственно с типом и не загрязнять обычный набор имён пространства имён.

Исторический контекст

Механизм скрытых friend-функций особенно полезен для операторов и операций, симметричных относительно аргументов. Например, сравнение двух объектов логически относится к типу объекта, но не обязано быть его методом.

Обычная функция пространства имён была бы видна всем клиентам через обычный поиск и могла бы увеличивать число конфликтующих перегрузок. Hidden friend сохраняет функцию рядом с типом, а поиск через ADL делает её доступной только в контексте подходящих аргументов.

Постановка проблемы

Если функция определена внутри шаблонного класса как friend, разработчик может ожидать, что её можно вызвать с квалифицированным именем пространства имён. Однако без отдельного namespace-объявления такой вызов обычно не проходит обычный поиск.

Неверное понимание механизма приводит к ошибкам при проектировании операторов, функций сравнения и пользовательских точек расширения. Дополнительный риск возникает при повторном создании одинаковой friend-функции в разных специализациях: совпадающие сигнатуры могут привести к конфликту определений.

Подробное решение

Friend-функция, определённая внутри класса, не становится членом класса. Она является функцией окружающего пространства имён, но её имя не вводится в область видимости для обычного поиска так, как имя обычной namespace-функции.

При вызове с аргументом типа Box<int> компилятор выполняет argument-dependent lookup. Ассоциированное пространство имён типа Box<int> рассматривается при ADL, и скрытая friend-функция находится среди функций, связанных с этим типом.

Минимальный пример:

#include <iostream>

namespace lib {
template<class T>
struct Box {
    T value;
    friend bool equal(const Box& a, const Box& b) {
        return a.value == b.value;
    }
};
}

int main() {
    lib::Box<int> a{1}, b{1};
    std::cout << equal(a, b);
}

Вызов equal(a, b) успешен благодаря ADL. При этом попытка вызвать lib::equal(a, b) может завершиться ошибкой, поскольку обычный квалифицированный поиск не видит скрытое имя без подходящего namespace-объявления.

Для каждой специализации класса friend-определение рассматривается в контексте этой специализации. Поэтому Box<int> и Box<double> обычно получают функции с разными параметрами. Если же разные специализации порождают одну и ту же сигнатуру функции, определения могут конфликтовать, особенно если тело не является согласованным единым определением.

Скрытая friend-функция также важна в шаблонном коде с зависимыми аргументами. На этапе определения шаблона обычный поиск и ADL могут выполняться в разные моменты, поэтому добавление перегрузки после определения шаблона не всегда влияет на вызов: нужно учитывать правила двухфазного поиска.

Ситуация из практики

В библиотеке создаётся шаблонный тип Quantity<Unit>, для которого нужно поддержать симметричное сравнение двух величин. Возможны три решения.

Свободная функция пространства имён видна обычным поиском и легко вызывается, но добавляет перегрузку в общий набор имён и может конфликтовать с универсальными функциями.
Метод класса хорошо инкапсулирован, но неудобен для симметричных операций и не всегда подходит, когда левый операнд может иметь другой тип.
Скрытая friend-функция находится через ADL только при наличии аргументов Quantity<Unit>, не требует отдельного публичного имени и естественно поддерживает симметричный интерфейс.

Для сравнения двух величин выбирают третий вариант. В результате вызов выглядит естественно, функция доступна именно для подходящих типов, а пространство имён библиотеки не получает лишнюю общедоступную перегрузку.

Что кандидаты часто упускают

Является ли hidden friend членом класса?

Нет. Friend-функция не является членом класса: у неё нет неявного параметра this, и вызвать её как объект.функция() нельзя. Она относится к окружающему пространству имён, но имя скрыто от обычного поиска и обычно обнаруживается ADL.

Всегда ли ADL найдёт такую функцию?

Нет. ADL работает только при наличии аргументов, чьи типы связывают вызов с нужным пространством имён или классом. Вызов без аргументов не может найти hidden friend через ADL. Аналогично, передача объекта через неподходящий тип-обёртку или вызов с полностью некорректными аргументами может исключить нужную функцию из поиска.

Что произойдёт, если hidden friend определена в каждой специализации шаблонного класса с одинаковой сигнатурой?

Разные специализации не гарантируют разные функции: важна итоговая сигнатура. Если две специализации порождают определения одной и той же namespace-функции, можно получить конфликт повторного определения или нарушение требований единого определения. Поэтому параметры friend-функции обычно делают зависимыми от параметров специализации либо выносят общее определение в отдельную функцию с контролируемой декларацией.