面试题：C++ 中数组与指针在模板元编程中的应用及差异

利用数组和指针特性实现编译期排序

利用数组特性实现编译期排序
- 数组在编译期有固定大小，这使得模板可以在编译期对整个数组进行操作。例如，使用递归模板实现编译期冒泡排序：

template <typename T, size_t N>
struct BubbleSort {
    static void sort(T (&arr)[N]) {
        bool swapped;
        do {
            swapped = false;
            for (size_t i = 0; i < N - 1; ++i) {
                if (arr[i] > arr[i + 1]) {
                    T temp = arr[i];
                    arr[i] = arr[i + 1];
                    arr[i + 1] = temp;
                    swapped = true;
                }
            }
        } while (swapped);
    }
};

调用方式：

int main() {
    int arr[] = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};
    BubbleSort<int, sizeof(arr) / sizeof(arr[0])>::sort(arr);
    return 0;
}

这里利用数组的固定大小特性，在编译期就可以确定排序的边界，实现对数组元素的排序。

利用指针特性实现编译期排序
- 指针可以动态指向不同的内存区域，但在编译期使用指针实现排序相对复杂。可以通过模板参数传递指针和长度来模拟编译期操作。例如：

template <typename T, T* ptr, size_t N>
struct PointerBubbleSort {
    static void sort() {
        bool swapped;
        do {
            swapped = false;
            for (size_t i = 0; i < N - 1; ++i) {
                if (ptr[i] > ptr[i + 1]) {
                    T temp = ptr[i];
                    ptr[i] = ptr[i + 1];
                    ptr[i + 1] = temp;
                    swapped = true;
                }
            }
        } while (swapped);
    }
};

调用方式：

int main() {
    int arr[] = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};
    PointerBubbleSort<int, arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0])>::sort();
    return 0;
}

指针特性使得在一定程度上可以像操作数组一样进行编译期排序，但由于指针的灵活性，在编译期使用时需要额外注意指针的指向和边界。

数组和指针各自的优势与劣势

数组的优势
- 固定大小明确：在编译期就知道数组的大小，模板可以基于这个确定的大小进行边界检查和循环操作，代码逻辑相对简单清晰。例如在编译期冒泡排序中，N 可以直接从数组定义中获取，不需要额外传递。
- 类型安全性高：数组作为模板参数时，模板会根据数组的元素类型和大小进行实例化，减少类型错误的可能性。
数组的劣势
- 缺乏灵活性：一旦定义，大小就固定，无法在运行时动态改变。在一些需要动态大小的场景下不适用。
指针的优势
- 灵活性高：可以动态指向不同的内存区域，理论上可以处理不同大小的数据集。虽然是在编译期，通过传递指针和长度参数，也能模拟一定的动态性。
- 适用于泛型操作：对于一些需要通用地处理内存块的场景，指针可以更方便地进行操作，因为它不依赖于特定的数组类型。
指针的劣势
- 边界检查复杂：没有像数组那样固定的编译期大小信息，需要手动传递长度参数并确保在编译期操作时不越界，增加了出错的可能性。
- 类型安全性较低：指针本身的类型可能比较通用，容易在传递和操作过程中出现类型不匹配的问题，特别是在复杂的模板元编程场景中。

可能遇到的编译期错误和解决方案

数组越界错误
- 错误表现：在编译期循环操作数组时，如果循环条件不正确，可能会导致编译期数组越界。例如在编译期冒泡排序中，如果 for 循环的边界设置错误，如 for (size_t i = 0; i <= N - 1; ++i)，就会访问到数组外的内存。
- 解决方案：仔细检查循环条件，确保边界设置正确。利用编译期常量表达式来计算数组边界，如 for (size_t i = 0; i < N - 1; ++i)，这里 N 是数组的编译期大小。
指针类型不匹配错误
- 错误表现：在使用指针作为模板参数时，如果传递的指针类型与模板期望的类型不匹配，会导致编译错误。例如 PointerBubbleSort 模板期望 T* 类型的指针，如果传递了一个 const T* 类型的指针，就会出错。
- 解决方案：在定义模板时明确指针类型要求，并在调用模板时确保传递的指针类型完全匹配。可以使用 static_assert 在编译期进行类型检查，如：

template <typename T, T* ptr, size_t N>
struct PointerBubbleSort {
    static_assert(std::is_same<decltype(ptr), T*>::value, "Pointer type must match");
    static void sort() {
        //...
    }
};

模板实例化失败错误
- 错误表现：当模板参数不满足模板定义的要求时，会导致模板实例化失败。例如在上述编译期排序模板中，如果传递的数组元素类型不支持比较操作（如没有定义 < 运算符），就会出现这种错误。
- 解决方案：在模板定义中添加对模板参数类型的约束，使用 std::enable_if 等工具。例如：

template <typename T, size_t N,
          typename = std::enable_if_t<std::is_arithmetic_v<T>>>
struct BubbleSort {
    static void sort(T (&arr)[N]) {
        //...
    }
};

这样可以确保只有当 T 是算术类型时，模板才会实例化成功。

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面试题：C++ 中数组与指针在模板元编程中的应用及差异

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利用数组和指针特性实现编译期排序

数组和指针各自的优势与劣势

可能遇到的编译期错误和解决方案