不允许字符串文字作为非类型模板参数

Question

以下引用来自 Addison Wesley 的 C++ 模板。有人可以帮我用简单的英语/外行术语理解它的要点吗？

因为字符串文字是具有内部链接的对象（具有相同值但在不同模块中的两个字符串文字是不同的对象），因此您也不能将它们用作模板参数：

Answer 1

您的编译器最终会在名为 翻译单元，非正式地称为源文件。在这些翻译单元中，您可以识别不同的实体：对象、函数等。链接器的工作是将这些单元连接在一起，并且该过程的一部分是合并身份。

标识符具有链接^†：内部链接意味着该翻译单元中命名的实体仅对该翻译单元可见，而外部链接链接意味着该实体对其他单元可见。

当实体被标记为静态时，它被赋予内部链接。因此，给定这两个翻译单元：

// a.cpp
static void foo() { /* in a */ } 

// b.cpp
static void foo() { /* in a */ } 

每个 foo 都引用一个仅对其各自的翻译单元可见的实体（在本例中为函数）；也就是说，每个翻译单元都有自己的foo。

那么，这里有一个问题：字符串文字与 static const char[..] 的类型相同。也就是说：

// str.cpp
#include <iostream>

// this code:

void bar()
{
    std::cout << "abc" << std::endl;
}

// is conceptually equivalent to:

static const char[4] __literal0 = {'a', 'b', 'c', 0};

void bar()
{
    std::cout << __literal0 << std::endl;
}

正如您所看到的，文字的值是该翻译单元的内部值。因此，例如，如果您在多个翻译单元中使用 "abc"，它们最终都会成为不同的实体。^‡

总体而言，这意味着这在概念上毫无意义：

template <const char* String>
struct baz {};

typedef baz<"abc"> incoherent;

因为 “abc”对于每个翻译单元不同。每个翻译单元都会被赋予一个不同的类，因为每个“abc”都是不同的实体，即使它们提供了“相同”的参数。

在语言级别上，这是通过说模板非类型参数可以是指向具有外部链接的实体的指针来强加的；也就是说，确实跨翻译单元引用同一实体。

所以这很好：

// good.hpp
extern const char* my_string;

// good.cpp
const char* my_string = "any string";

// anything.cpp
typedef baz<my_string> coherent; // okay; all instantiations use the same entity

---

†并非所有标识符都具有链接；有些没有，例如函数参数。

‡ 优化编译器将在同一地址存储相同的文字，以节省空间；但这是实施细节的质量，而不是保证。

Answer 2

这意味着你不能这样做...

#include <iostream>

template <const char* P>
void f() { std::cout << P << '\n'; }

int main()
{
    f<"hello there">();
}

...因为 "hello there" 不能 100% 保证解析为可用于实例化模板一次的单个整数值（尽管大多数好的链接器将尝试折叠链接对象之间的所有用法，并生成具有字符串的单个副本的新对象）。

但是，您可以使用外部字符数组/指针：

...
extern const char p[];
const char p[] = "hello";
...
    f<p>();
...

Answer 3

显然，像“foobar”这样的字符串文字与其他文字内置类型（例如 int 或 float）不同。他们需要有一个地址（const char*）。地址实际上是编译器替换文字出现位置的常量值。该地址指向程序内存中的某个位置，在编译时固定。

因此它必须具有内部联系。内部链接只是意味着不能跨翻译单元（编译后的 cpp 文件）链接。编译器可以尝试这样做，但不是必需的。换句话说，内部链接意味着如果您在不同的 cpp 文件中获取两个相同文字字符串的地址（即它们转换为的 const char* 的值），那么它们通常不会相同。

您不能将它们用作模板参数，因为它们需要 strcmp() 来检查它们是否相同。如果您使用 ==，您只会比较地址，当模板在不同翻译单元中使用相同的文字字符串实例化时，地址不会相同。

其他更简单的内置类型（如文字）也是内部链接（它们没有标识符，不能从不同的翻译单元链接在一起）。然而，它们的比较是微不足道的，因为它是按价值进行的。因此它们可以用作模板。

Answer 4

正如其他答案中提到的，字符串文字不能用作模板参数。
然而，有一种解决方法具有类似的效果，但“字符串”仅限于四个字符。这是由于 多字符常量 造成的，正如链接中所讨论的，它可能相当不可移植，但适用于我的调试目的。

template<int32_t nFourCharName>
class NamedClass
{
    std::string GetName(void) const
    {
        // Evil code to extract the four-character name:
        const char cNamePart1 = static_cast<char>(static_cast<uint32_t>(nFourCharName >> 8*3) & 0xFF);
        const char cNamePart2 = static_cast<char>(static_cast<uint32_t>(nFourCharName >> 8*2) & 0xFF);
        const char cNamePart3 = static_cast<char>(static_cast<uint32_t>(nFourCharName >> 8*1) & 0xFF);
        const char cNamePart4 = static_cast<char>(static_cast<uint32_t>(nFourCharName       ) & 0xFF);

        std::ostringstream ossName;
        ossName << cNamePart1 << cNamePart2 << cNamePart3 << cNamePart4;
        return ossName.str();
    }
};

可用于：

NamedClass<'Greg'> greg;
NamedClass<'Fred'> fred;
std::cout << greg.GetName() << std::endl;  // "Greg"
std::cout << fred.GetName() << std::endl;  // "Fred"

正如我所说，这是一种解决方法。我并不假装这是好的、干净的、可移植的代码，但其他人可能会发现它很有用。
另一种解决方法可能涉及多个 char 模板参数，如此答案中所示。

Answer 5

C++ 标准仅允许模板使用某些类型的参数的想法是，参数应该是常量并且在编译时已知，以便生成“专用类”代码。

对于这个具体案例：
当您创建字符串文字时，它们的地址在链接时间之前是未知的（链接在编译后发生），因为跨不同翻译单元的两个字符串文字是两个不同的对象（正如接受的答案所解释的那样）。当编译发生时，我们不知道使用哪个字符串文字的地址来从模板类生成专用类代码。

Answer 6

在 C++20 中，您可以使用内联外部链接做得更好：

Demo

#include <cstdio>

inline const char myliteral[] = "Hello";

template <const char* Literal>
struct mystruct
{
    auto print() {
        printf(Literal);
    }
};

int main(){
    mystruct<myliteral> obj;
    
    obj.print();
}

本质上它的作用是让链接器来确定最终使用哪个定义。