面试题：C++函数模板非类型参数取值范围深入剖析

Question

在C++中，函数模板非类型参数的取值范围受到编译期常量表达式的限制。请深入分析编译期常量表达式的规则以及这些规则对非类型参数取值范围的影响。另外，考虑模板实例化过程中，编译器如何处理非类型参数的取值，若取值超出预期范围，编译器通常会给出怎样的错误提示，如何根据这些提示进行调试？

Answer 1

编译期常量表达式规则

1. 基本类型常量：整型、枚举、指针和引用等类型的常量表达式。例如 const int a = 5; 这里 a 是编译期常量表达式，可用于函数模板非类型参数。
2. 字面值常量：如整数 5、浮点数 3.14、字符串字面值 "hello" 等是编译期常量表达式。但字符串字面值在作为非类型参数时有限制，仅能是 const char* 且指向静态存储区。
3. 算术运算：由编译期常量表达式参与的算术运算结果仍是编译期常量表达式。如 const int b = 3 + 2;
4. 条件运算符：const int c = (a > 10)? 20 : 30; 若 a 是编译期常量表达式，此整个表达式也是编译期常量表达式。
5. sizeof 运算符：sizeof 操作数是编译期常量表达式，结果也是编译期常量表达式。例如 const int size = sizeof(int);

对非类型参数取值范围的影响

1. 整型非类型参数：只能接受编译期可确定的整数值，限制了其取值必须在编译时就能计算得出，不能是运行时才确定的值。比如不能使用运行时输入的值作为非类型参数。
2. 指针和引用非类型参数：必须指向或引用具有静态存储期的对象，不能是局部变量等具有自动存储期的对象。这限制了可作为此类非类型参数的对象范围。

模板实例化中编译器对非类型参数取值的处理

1. 检查合法性：编译器在模板实例化时，会检查非类型参数是否符合编译期常量表达式规则。若符合，则进行实例化。
2. 替换与生成代码：将模板中的非类型参数用具体值替换，生成相应的代码。例如对于模板 template <int N> void func() { /* code */ }，实例化 func<5>() 时，编译器将 N 替换为 5 并生成对应代码。

取值超出预期范围时的错误提示及调试

1. 错误提示：编译器通常会给出类似 “template argument for non - type parameter is not a constant expression” 等提示，指出非类型参数不是编译期常量表达式。
2. 调试方法：
   • 检查参数定义：确认非类型参数是否按编译期常量表达式规则定义，如是否使用了运行时才确定的变量。
   • 检查表达式计算：若参数是表达式，检查表达式中所有操作数和运算是否都满足编译期常量表达式要求，例如是否存在非法的函数调用等。
   • 确认存储期：对于指针和引用非类型参数，确认指向或引用的对象是否具有合适的存储期。