4.1 非类型的类模板参数

第4章 非类型模板参数

对于函数模板和类模板，模板参数并不局限于类型，普通值也可以作为模板参数。在基于类型参数的模板中，你定义了一些具体细节未加确定的代码，直到代码被调用时这些细节才被真正确定。然而，在这里，我们面对的这些细节是值（value），而不是类型。当要使用基于值的模板时，你必须显式地指定这些值，才能够对模板进行实例化，并获得最终代码。在这一章里，我们将使用一个新版本的stack类模板来叙述这个特性。另外，我们还给出了一个非类型函数模板参数的例子，并且讨论了这一技术的某些限制。

4.1  非类型的类模板参数

较之前一章stack例子的实现，你也可以使用元素数目固定的数组来实现stack。这个方法（用固定大小的数组）的优点是：无论是由你来亲自管理内存，还是由标准容器来管理内存，都可以避免内存管理开销。然而，决定一个栈（stack）的最佳容量是很困难的。如果你指定的容量太小，那么栈可能会溢出；如果指定的容量太大，那么可能会不必要地浪费内存。一个好的解决方法就是：让栈的用户亲自指定数组的大小，并把它作为所需要的栈元素的最大个数。

为了做到这一点，你需要把数组大小定义为一个模板参数：

//basics/stack4.hpp
#include <stdexcept>

template <typename T, int MAXSIZE>
class Stack {
private:
T elems[MAXSIZE];        // 包含元素的数组
int numElems;            // 元素的当前总个数

  public:
Stack();                  // 构造函数
void push(T const&);    // 压入元素
void pop();               // 弹出元素
T top() const;           // 返回栈顶元素
bool empty() const {    // 返回栈是否为空
return numElems == 0;
}
bool full() const {     // 返回栈是否已满
return numElems == MAXSIZE;
}
};

// 构造函数
template <typename T, int MAXSIZE>
Stack<T,MAXSIZE>::Stack ()
: numElems(0)               // 初始时栈不含元素
{
// 不做任何事情
}

template <typename T, int MAXSIZE>
void Stack<T,MAXSIZE>::push (T const& elem)
{
if (numElems == MAXSIZE) {
throw std::out_of_range("Stack<>::push(): stack is full");
}
elems[numElems] = elem;   // 附加元素
++numElems;               // 增加元素的个数
}

template<typename T, int MAXSIZE>
void Stack<T,MAXSIZE>::pop ()
{
if (numElems <= 0) {
throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
}
--numElems;               // 减少元素的个数
}

template <typename T, int MAXSIZE>
T Stack<T,MAXSIZE>::top () const
{
if (numElems <= 0) {
throw std::out_of_range("Stack<>::top(): empty stack");
}
return elems[numElems-1];  // 返回最后一个元素
}

MAXSIZE是新加入的第2个模板参数，类型为int；它指定了数组最多可包含的栈元素的个数：
 template<typename T, int MAXSIZE>
class Stack {
private:
T elems[MAXSIZE]; //包含元素的数组
...
};

另外，我们使用push()来检查该栈是否已经满了：
template <typename T, int MAXSIZE>
void Stack<T, MAXSIZE>::push (T const& elem)
{
if (numElems = = MAXSIZE ){
throw std::out_of_range ("Stack<>::push():stack is full")
}
elems [numElems] = elem;  //附加元素
++numElems;    //增加元素的个数
}

为了使用这个类模板，你需要同时指定元素的类型和个数（即栈的最大容量）：
//basics/stack4test.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include "stack4.hpp"

int main()
{
try {
Stack<int,20>  int20Stack;  // 可以存储20个int元素的栈
Stack<int,40>  int40Stack;  // 可以存储40个int元素的栈
Stack<std::string,40> stringStack; // 可存储40个string元素的栈

        // 使用可存储20个int元素的栈
int20Stack.push(7);
std::cout << int20Stack.top() << std::endl;
int20Stack.pop();

        // 使用可存储40个string的栈
stringStack.push("hello");
std::cout << stringStack.top() << std::endl;
stringStack.pop();
stringStack.pop();
}
catch (std::exception const& ex) {
std::cerr << "Exception: " << ex.what() << std::endl;
return EXIT_FAILURE;  // 退出程序且有ERROR标记
}
}

可以看出，每个模板实例都具有自己的类型，因此int20Stack和int40Stack属于不同的类型，而且这两种类型之间也不存在显式或者隐式的类型转换；所以它们之间不能互相替换，更不能互相赋值。

同样，我们可以为模板参数指定缺省值：

template<typename T = int, int MAXSIZE = 100>
class Stack {
...
};

然而，如果从优化设计的观点来看，这个例子并不适合使用缺省值。缺省值应该是直观上正确的值。但是对于栈的类型和大小而言，int类型和最大容量100从直观上看起来都不是正确的。因此，在这里最好还是让程序员显式地指定这两个值。因此我们可以在设计文档中用一条声明来说明这两个属性（即类型和最大容量）。