非类型模板参数其实说来也简单，也就是在template中将typename换成具体的类型。但是还是有诸多限制和使用方式的。👍

Array的非类型模板参数

我们都知道在std::array中需要声明类型和一个编译期可知的常量。我们可以仿照声明一个自己的Array。这里的第二个模板参数就是非类型模板参数，要求传进去一个编译期可知的std::size_t类型的数作为整个Array的最大容量。

template <typename T, std::size_t MaxSize>
class Array
{
private:
    std::array<T, MaxSize> m_data;
    std::size_t m_length;
public:
    constexpr Array() = default;
    constexpr std::size_t length() const { return m_length; }
};

函数的非类型模板参数

我们也可以为函数声明一些非类型模板参数，例如下面这个addValue函数。

template <int Val, typename T>
T &addValue(T &x)
{
    x += Val;
    return x;
}

这个函数可以直接调用addValue<10>(integer)(当然你得先定义integer)。可是我们稍微细想一下就知道，这里的T和int类型一样吗？很容易不一样，而且编译器并不会报错，可是运行时就出现问题了。例如下面的代码调用。

char const *str = "hello";
lap::addValue<10>(str);

这显示不是一个应该被使用的调用，然而编译器并不会报错，甚至运行时不会崩溃。但是这个str指针已经变成了奇怪的东西，它指向的地址增加了10字节，因为str是指向char类型的指针，所以 +10 相当于加了10字节。这就让str指向了它不应该指向的位置。当然，如果你声明的是char const * const str，那么编译器会正确报错。所以我们的目标是要求这个函数只能对相同类型做加法。

在C++17之前，我们会这样声明addValue。

template <typename T, T Val = T()>
T &addValue(T &x)
{
    x += Val;
    return x;
}

在这个声明中，Val的默认类型就是T，并且默认的值为T()，也就是T类型的默认构造，比如int()一般而言是0。这样我们就保证了该函数每次都能加上一个正确的类型的Val，并且当传入类型不同时，编译器会直接报错。 但是我们也发现了，这个函数必须每次都传入两个模版参数(如果你不使用Val的默认值的话)，比如说addValue<int,10>(integer)，如果这样的话我为何不直接写成一个模版T，然后传入的函数参数列表为两个数呢？感觉没啥用。

那么在C++17之后，非类型参数也能被声明为 “模版”，当然，这里的 ”模版“非彼模版，而是可以用auto占位。例如我们可以写出以下代码。

// since C++ 17
template <auto Val, typename T = decltype(Val)>
T &addValueAuto(T &x)
{
    x += Val;
    return x;
}

一开始我也有疑惑，用auto的区别是什么，直接用一个typename不行吗？不过很快我就悟了😎，当然不行，typename是一个类型，怎么能直接传入参数而且和x进行加和呢。而auto则可以，因为它是一个非类型模版参数，现在是不是体会到这个名字的精妙了，非类型 的一个 模版参数。 而且我们注意到了，这个函数不仅可以保证类型相同，在使用时也更为方便，因为我们只需要传入Val的值和x即可。addValueAuto<10>(integer)。

在模版类的非类型模版参数使用auto (since C++ 17)

由于C++17可以使用auto作为占位符，所以我们也可以对模版类的非类型模版参数使用auto。例如，

template <typename T, auto MaxSize>
class Array
{
public:
    using size_type = decltype(MaxSize);

private:
    std::array<T, MaxSize> m_data;
    size_type m_length;

public:
    constexpr Array() = default;
    constexpr size_type length() const { return m_length; }
};

这里我们使用auto作为占位符，并在类中增加一个size_type作为MaxSize的类型别名。我们可以尝试对两个不同的Array作类型检查。

void testArraySizeType()
{
	using std::println;
    Array<int, 20u> intArray;
    Array<std::string, 40> stringArray;
    // 编译期检查
    if constexpr (!std::is_same_v<decltype(intArray)::size_type,
decltype(stringArray)::size_type>)
    { // size type 一个是 usigned int, 一个是 int
        println("intArray size_type is unsigned int\n"
                "stringArray size_type is int");    
    }
}

运行就会直接打印出类型。

值得注意的地方

• 使用非类型模板参数是有限制的。通常它们只能是整形常量(包含枚举)，指向objects/functions/members的指针，objects或者functions的左值引用，或者是std::nullptr_t。
• 当传递对象的指针或者引用作为模板参数时，对象不能是字符串常量，临时变量或者数据成员以及其它子对象。
  • 在 C++11 中，对象必须要有外部链接。
  • 在 C++14 中，对象必须是外部链接或者内部链接。
  • 在 C++17 中，可以没有链接。
• < >中的模版参数如果有运算，并且使用了<或>等符号，尽量用括号括起来。 在C++17之后，我们也可以直接使用静态的局部字符串数组用于非类型模版参数。

template <auto T>
// parameter( since C++17)
class Message
{
public:
    static void print() { std::println("Message:{}", T); }
};

void testMessage()
{
    // 可以是静态的常量表达式 since C++17
    static const char theMsg[] = "hello";
    // 不能是浮点数或类类型
    Message<theMsg>::print();
    Message<42>::print();
}

顺便一提，使用MSVC Clang17.03(GNU CLI)在C++ templates第二版中的这个代码似乎并不能通过编译。原书为int i;但显然不是编译期可知。

template <decltype(auto) N>
class Nclass
{
public:
    using N_type = decltype(N);
};

constexpr int i = 10;
lap::Nclass<(i)>::N_type a = 10;

原书认为这里的N_type会变为int &，然而无法通过编译。如果把(i)改为i则可以编译，但是N_type却是int。如果我们使用一个引用类型尝试作为模版参数，则该引用类型并不能被很好地声明。

constexpr const int constexprInt = 10;
constexpr const int &i = constexprInt; // example 1
constexpr int &i = constexprInt; // example 2
constexpr const int &i = 10; // example 3
constexpr int &i = 10; // example 4

static int staticInt = 10;
constexpr int &i = staticInt; // example 5

以上的 1…4 个 example 都无法通过编译，我们必须声明一个对静态变量的constexpr &才能通过编译。此时得到的N_type则变成了int &类型。

关于为什么constexprInt不能被引用的问题，其实我们需要了解到引用是什么。其底层本质是一个指针，只不过这个指针的指向不能发生改变，也就是一个这样的类型。而对于取地址操作，某些情况下不被视为编译时的常量表达式。

template <typename T>
using reference_type = T * const;

reference_type<int> ptr = &integer;
ptr = &constexprInt; // 报错，无法修改指向

当然，我们这里的变量都是局部变量，如果需要对常量进行引用，该常量应该具有静态存储期。此时应该是全局变量、静态变量。其次也必须指出，我的编译器是MSVC Clang17.03(GNU CLI)，但是我也更换了例如Clang 18.1.6 pc-windows-msvc，GCC 13.2.0 x86_64-w64-mingw32等常用编译器，使用WSL2的g++ 13.2.0，上面的 1…4 个 example 都是无法编译的。然而 github copilot 、Chatgpt4o都告诉我从C++ 17之后，至少 example 1是可以编译的…🤯