类含非constexpr std::array时，如何将std::array.size()作为模板参数？

类student包含一个名为name的std::array<char, 15>成员和一个整数age。该类的成员函数encode尝试以name.size()作为模板参数调用全局模板函数encode。

代码示例 #

//main.cpp
#include <iostream>
#include <array>

template <unsigned long num1>
unsigned long encode(unsigned long num2){
    return num1 + num2;
}


struct student {
    std::array<char, 15> name;
    int age;
    student(const std::array<char, 15>& name, int age):
        name(name),
        age(age)
    {}
    unsigned long encode(){
        return ::encode<name.size()>(age);
    }
};

int main(){
    std::array<char, 15> name = {"Tim"};
    student Tim(name, 17);
    std::cout << Tim.encode();
}

编译错误信息 #

>g++ main.cpp -std=c++11

main.cpp: In member function 'long unsigned int student::encode()':
main.cpp:22:43: error: use of 'this' in a constant expression
   22 |                 return ::encode<name.size()>(age);
      |                                           ^
main.cpp:22:45: error: no matching function for call to 'encode<((student*)this)->student::name.std::array<char, 15>::size()>(int&)' 
   22 |                 return ::encode<name.size()>(age);
      |                        ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~~~~
main.cpp:9:15: note: candidate: 'template<long unsigned int num1> long unsigned int encode(long unsigned int)'
    9 | unsigned long encode(unsigned long num2){
      |               ^~~~~~
main.cpp:9:15: note:   template argument deduction/substitution failed:
main.cpp:22:45: error: use of 'this' in a constant expression
   22 |                 return ::encode<name.size()>(age);
      |                        ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~~~~
main.cpp:22:42: note: in template argument for type 'long unsigned int'
   22 |                 return ::encode<name.size()>(age);

用户疑问 #

是否必须使用::encode<15>(age)来解决此问题？因为我认为std::array的一大优势是能携带自身大小，无需额外存储或硬编码大小。

g++ version: 14.1.0

问题原因 #

模板参数必须是编译期常量表达式。虽然std::array::size()在C++11及以后是constexpr函数，但在类的非静态成员函数中，访问成员变量name需要依赖this指针，而this不属于编译期常量，因此name.size()无法直接作为模板参数传递。

无需硬编码的解决方案 #

你可以通过以下几种方式避免硬编码大小：

1. 利用std::array的编译期静态常量
   std::array自带编译期可用的静态size成员，或者通过std::tuple_size获取大小，在成员函数中这样写：

   unsigned long encode(){
       // 方式1：直接引用std::array的静态size
       return ::encode<decltype(name)::size()>(age);
       // 方式2：用std::tuple_size获取
       // return ::encode<std::tuple_size<decltype(name)>::value>(age);
   }
   

2. 将类模板化，让大小成为模板参数
   如果希望student类适配不同大小的std::array，可以把类定义为模板：

   template <std::size_t N>
   struct student {
       std::array<char, N> name;
       int age;
       student(const std::array<char, N>& name, int age):
           name(name), age(age) {}
       unsigned long encode(){
           return ::encode<N>(age);
       }
   };
   
   int main(){
       std::array<char, 15> name = {"Tim"};
       student<15> Tim(name, 17);
       std::cout << Tim.encode();
   }
   

   这种方式既避免了硬编码，还让类具备了通用性。

3. C++20及以后：constexpr成员函数
   升级到C++20后，可以将成员函数声明为constexpr，此时this在constexpr上下文中是编译期常量，就能直接使用name.size()：

   constexpr unsigned long encode() const {
       return ::encode<name.size()>(age);
   }
   

总结 #

不需要硬编码15，通过上述方法就能利用std::array的编译期大小信息，同时满足模板参数的常量表达式要求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者timmy george