C++模板参数类型全解析：非类型参数与模板模板参数深度剖析

---

一、模板参数的类型体系

C++模板参数主要分为三大类型：
1. 类型参数（最常见形式）
2. 非类型参数（值参数）
3. 模板模板参数（高阶模板）

cpp
template</* 这里定义参数 */> class Widget;

1.1 类型参数（Type Parameters）

最基本的模板形式，使用typename或class关键字声明：
cpp
template<typename T>
void print(const T& val) { /*...*/ }

---

二、非类型参数详解

2.1 基本概念

非类型参数允许传递编译期常量值而非类型：cpp
template
class Buffer { /…/ };

template
class Logger { /…/ };

2.2 允许使用的类型（C++17标准）

1. 整型及其衍生类型（int, long, size_t等）
2. 指针类型（包括函数指针）
3. 左值引用类型
4. 枚举类型
5. nullptr_t（C++11起）
6. 包含auto的类型（C++17起）

典型应用场景：
cpp
template<size_t N>
struct Fibonacci {
static constexpr size_t value =
Fibonacci<N-1>::value + Fibonacci<N-2>::value;
};

2.3 底层实现原理

非类型参数会被编译器完全内联，生成的特化版本相当于硬编码值的独立类：

cpp
// 编译后会产生两个完全独立的类
Buffer<128> buf1; // 相当于 class Buffer_128 { ... };
Buffer<256> buf2; // 相当于 class Buffer_256 { ... };

---

三、模板模板参数精解

3.1 基本语法

允许模板参数本身是模板：
cpp
template<template<typename> class Container>
class Adapter {
Container<int> storage; // 实际使用时指定元素类型
};

3.2 典型应用模式

1. 策略模板化：
   cpp
template<template<typename> class Allocator>
class CustomVector {
Allocator<int> alloc; // 可自由替换分配策略
};

2. 容器无关算法：
   cpp
template<typename T, template<typename> class Sequence>
void process(Sequence<T>& seq) {
// 可处理任何符合接口的容器
}

3.3 C++17的改进

typename关键字可以替代class，提高一致性：
cpp
template<template<typename> typename Container>
class NewAdapter;

---

四、参数组合实战

4.1 混合参数模板

cpp
template<
typename T, // 类型参数
size_t Size, // 非类型参数
template<typename> class Allocator // 模板模板参数
>
class CustomArray {
Allocator<T> allocator;
T data[Size];
};

4.2 元编程示例

计算矩阵乘法的模板实现：
cpp
template<
size_t Rows,
size_t Cols,
template<size_t, size_t> class Matrix
>
auto multiply(Matrix<Rows, Cols>& a, Matrix<Cols, Rows>& b) {
// 编译期维度检查
}

---

五、最佳实践与陷阱

1. 非类型参数限制：

   • 浮点型（C++20前不可用）
   • 类类型（C++20起部分支持）
   • 运行时计算值（禁止使用）

2. 模板模板参数匹配：cpp
   // 定义时
   template<template<typename, typename…> class Container>

   // 使用时
   template>
   class MyVector {…};

3. 性能考量：

   • 非类型参数会导致代码膨胀
   • 模板模板参数增加编译时间

---

六、现代C++演进

1. C++11：支持非类型参数的nullptr
2. C++17：auto非类型参数、模板模板参数语法放宽
3. C++20：浮点型非类型参数、类类型非类型参数

掌握这些高级模板技术，可以构建出既灵活又高性能的通用库，如STL中的std::array（非类型参数）和Boost.MPL（模板模板参数）等著名实现。