面试题：C++ 中 static 关键字在模板元编程中的应用与原理

Question

在 C++ 的模板元编程中，static 关键字有独特的应用。请说明 static 在模板元编程场景下是如何发挥作用的，例如在模板类或模板函数中使用 static 的目的和原理。请结合具体的代码示例，分析其在编译期计算和类型推导等方面的应用。

Answer 1

1. 在模板类中使用 static 的目的和原理

• 目的：在模板类中使用 static 成员，可以为模板类的所有实例化共享一份数据，常用于实现编译期常量或者在不同实例化之间共享状态。
• 原理：模板类的每个实例化都会有自己独立的非 static 成员，但 static 成员是所有实例化共享的，它在程序启动时就被分配内存，而不是在每个对象创建时。

2. 编译期计算的应用示例

template <int N>
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial<N - 1>::value;
};

template <>
struct Factorial<0> {
    static const int value = 1;
};

#include <iostream>
int main() {
    std::cout << "5! = " << Factorial<5>::value << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中，Factorial 模板类通过递归和 static const 成员来在编译期计算阶乘。Factorial<N> 的 value 依赖于 Factorial<N - 1> 的 value，直到 Factorial<0> 提供终止条件。static const 确保了这个值在编译期就被确定并可用于其他编译期操作。

3. 类型推导方面的应用示例

template <typename T>
class MyClass {
public:
    static void printType() {
        std::cout << "Type is ";
        if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
            std::cout << "integral";
        } else if constexpr (std::is_floating_point_v<T>) {
            std::cout << "floating point";
        } else {
            std::cout << "other";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
};

int main() {
    MyClass<int>::printType();
    MyClass<double>::printType();
    MyClass<std::string>::printType();
    return 0;
}

这里 MyClass 模板类的 printType 是一个 static 成员函数，它利用 if constexpr 进行编译期类型判断。通过这种方式，可以在编译期根据模板参数 T 的类型执行不同的代码路径，实现类型推导相关的功能。每个实例化的 MyClass 都共享这个 printType 函数，方便在不同类型实例化时进行类型相关的操作。