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C++ 中模板元编程与 SFINAE 机制

news 2025/11/6 9:47:52

什么是模板元编程？

用模板来进行编译器计算，运行期直接把结果替换到代码内，如编译器进行斐波那契数列计算，编译器判断是否指针类型；例子：

template <int N>
struct Fib {static constexpr int value = 	Fib<N-1>::value + Fib<N-2>::value;
};// 特化编程，设置边界
template <>
struct Fib<0> {static constexpr int value = 1;
}template <>
struct Fib<1> {static constexpr int value = 0;
};int main() {cout << Fib<10>::value << endl;return 0;
}

模板类型有几种？

模板类型分两种，一种是参数类型，一种是非参数类型

参数类型：用参数类型作为模板参数，泛化不同类型。
template
template

非参数类型：
用常量值作为模板参数，泛化不同常量，计算不同常量的结果；
template
template

模板元编程为什么必须使用静态成员变量？

模板元编程是编译期进行计算，非静态成员变量不能在编译器进行计算，需要运行期才能计算，因为访问非静态成员变量需要类/结构体对象，对象是运行期的产物；
注意：模板非类型参数作为模板参数，是运行非静态成员变量的，

非类型参数有哪些限制：

1）支持的类型限制：支持int, long, char, bool，enum，指针，引用，成员指针
不支持：double，float

2）必须是编译器常量
非类型参数的值必须在编译时确定，不能是运行时变量（比如 int n=5; Fib 会编译报错，因为 n 是运行时变量）；
必须用常量表达式传入（如 Fib<5>、Fib<3+2>、constexpr int n=5; Fib）。

模板元编程有哪些用途？

TMP 的典型用途
编译期数值计算（如常量、数组大小、哈希值计算）；
类型萃取（Type Traits，如判断类型是否为指针 / 引用 / 数组、提取模板参数等）；
条件编译（根据类型 / 数值选择不同的模板实现）；
生成复杂代码（如自动生成类成员、序列化逻辑）。

模板特化

模板的特殊版本，用于处理递归的终止条件（避免无限递归）；
生成一个完全确定的模板实例。

template <>
struct Fib<1> {static constexpr int value = 0;
};

这就属于模板特化

template <> 是空模板参数列表，为 “模板参数 N=1” 这个特定情况，提供专门的结构体实现。

给类型参数使用还是非类型参数？

核心是「为模板的所有参数指定具体值 / 类型」，和模板参数本身是 “类型” 还是 “非类型” 无关。
非类型和类型都可以有全特化模板；

1. 类型模板参数（typename T）的全特化

// 通用类型模板（模板参数是类型 T）
template <typename T>
struct PrintType {static void print() {cout << "通用类型：" << typeid(T).name() << endl;}
};// 全特化：为 T=int 指定具体实现
template <>
struct PrintType<int> {static void print() {cout << "特化类型：int（整数类型）" << endl;}
};// 全特化：为 T=string 指定具体实现
template <>
struct PrintType<string> {static void print() {cout << "特化类型：string（字符串类型）" << endl;}
};// 全特化：为 T=double 指定具体实现
template <>
struct PrintType<double> {static void print() {cout << "特化类型：double（浮点数类型）" << endl;}
};int main() {PrintType<char>::print();    // 调用通用模板：输出“通用类型：char”PrintType<int>::print();     // 调用 int 全特化：输出“特化类型：int（整数类型）”PrintType<string>::print();  // 调用 string 全特化：输出“特化类型：string（字符串类型）”PrintType<double>::print();  // 调用 double 全特化：输出“特化类型：double（浮点数类型）”return 0;
}

2. 非类型模板参数（int N）的全特化

template <int N> // 模板参数是非类型 int N
struct Fib {static constexpr int value = Fib<N-1>::value + Fib<N-2>::value; // 通用递归逻辑
};// 全特化：为 N=0 指定具体实现（终止条件）
template <>
struct Fib<0> {static constexpr int value = 0;
};// 全特化：为 N=1 指定具体实现（终止条件）
template <>
struct Fib<1> {static constexpr int value = 1;
};

3. 混合模板参数（类型 + 非类型）的全特化

// 混合模板参数：类型 T + 非类型 N
template <typename T, int N>
struct MixTemplate {static void show() {cout << "通用版本：类型=" << typeid(T).name() << ", 非类型=" << N << endl;}
};// 全特化：同时具体化 T=int、N=5（所有参数都确定）
template <>
struct MixTemplate<int, 5> {static void show() {cout << "全特化版本：类型=int, 非类型=5" << endl;}
};// 全特化：同时具体化 T=double、N=3（所有参数都确定）
template <>
struct MixTemplate<double, 3> {static void show() {cout << "全特化版本：类型=double, 非类型=3" << endl;}
};int main() {MixTemplate<char, 2>::show();   // 通用版本：类型=char, 非类型=2MixTemplate<int, 5>::show();    // 全特化版本：类型=int, 非类型=5MixTemplate<double, 3>::show(); // 全特化版本：类型=double, 非类型=3return 0;

三、易混淆点：全特化 vs 偏特化

// 通用模板：T（类型）+ N（非类型）
template <typename T, int N>
struct MixTemplate { ... };// 偏特化：只具体化 N=5，T 仍保留泛化（不是全特化）
template <typename T>
struct MixTemplate<T, 5> { ... };// 全特化：具体化 T=int + N=5（所有参数都确定）
template <>
struct MixTemplate<int, 5> { ... };