C++惯用法之CRTP(奇异递归模板模式)

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目录

1.介绍

2.CRTP的使用场景

2.1.实现静态多态

2.2.代码复用和扩展性

3.总结

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1.介绍

        CRTP的全称是Curiously Recurring Template Pattern，即奇异递归模板模式，简称CRTP。CRTP是一种特殊的模板技术和使用方式，是C++模板编程中的一种惯用法。基本特征表现为：基类是一个模板类；派生类在继承该基类时，将派生类自身作为模板参数传递给基类。下面用网上的实例来说明为什么要用CRTP? 比如我要实现一个数学库，如果使用运行时多态来实现向量类Vector，那么代码结构大致如下：

templatestruct VectorBase{    virtual void someFunction(){...}    ...};struct Vector3: VectorBase{    virtual void someFunction() override {...}};

         需要注意的是，运行时多态是有开销的，熟悉c++虚函数的人应该就能明白，如果我调用一个虚函数，需要查询对象头部的虚函数表来得到实际函数地址，这个寻址的开销对于一个数学库而言是非常巨大的。而如果使用静态多态，则可以使用如下的代码来实现：

template  struct VectorBase {  ChildType &underlying() { return static_cast(*this); }  inline ChildType &operator+=(const ChildType &rhs) {    this->underlying() = this->underlying() + rhs;    return this->underlying();  }};struct Vec3f : public VectorBase {  float x{}, y{}, z{};  Vec3f() = default;  Vec3f(float x, float y, float z) : x(x), y(y), z(z) {}};inline Vec3f operator+(const Vec3f &lhs, const Vec3f &rhs) {  Vec3f result;  result.x = lhs.x + rhs.x;  result.y = lhs.y + rhs.y;  result.z = lhs.z + rhs.z;  return result;}

        可以看到，静态多态虽然导致代码复用度相较于运行时多态降低了很多，但是相较于完全手写，我们可以利用子类实现的operator+来通过CRTP自动添加operator+=，相当于是做到了运行效率与开发效率的相对平衡。 

        VectorBase是模版基类，派生类Vec3f 继承自VectorBase，并以自身作为模板参数传递给基类, 在基类内部，通过使用static_cast，将this指针转换为模板参数类型T的指针，然后调用类型T的方法imp。static_cast的用法可参考一下博客。

C++之数据转换(全)_c++数据类型转换-CSDN博客

2.CRTP的使用场景

2.1.实现静态多态

C ++支持动态和静态多态。

• 动态多态性：在这种类型的多态性中，在编译时不知道对象的类型（可能基于用户输入等），因此编译器添加了额外的数据结构来支持这一点。 该标准并未规定应如何实施。C++通过虚函数表实现多态，但是虚函数会影响类的内存布局，并且虚函数的调用会增加运行时的开销。
• 静态多态性：在这种类型中，对象的类型在编译时本身是已知的，因此实际上无需在数据结构中保存额外的信息。 但是如前所述，我们需要在编译时知道对象的类型。

  CRTP 可以实现静态多态，但本质上 CRTP 中的多个派生类并不是同一个基类，因此严格意义上不能叫多态。示例如下：

  templateclass base{public:    virtual ~base(){}    void interface() { static_cast(this)->impl(); }    void impl() { cout