当前位置：首页 > news >正文

CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）

news 2025/5/28 2:52:55

C++ 中的 CRTP（奇异递归模板模式）

CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）是一种利用模板继承实现 静态多态（Static Polymorphism） 的设计模式。通过基类模板以派生类作为模板参数，CRTP 允许在编译期实现多态行为，避免虚函数开销，同时提供灵活的类型操作。以下通过代码和底层原理全面解析其实现和应用。

1. CRTP 的基本结构

1.1 核心思想

基类模板：接受派生类作为模板参数。
派生类：继承自以自身为模板参数的基类模板。

// 基类模板
template <typename Derived>
class Base {
public:// 通过静态转换访问派生类Derived& derived() { return static_cast<Derived&>(*this); }
};// 派生类继承自以自身为模板参数的基类
class MyDerived : public Base<MyDerived> {// 派生类的实现
};

2. CRTP 的典型应用场景

2.1 静态多态（替代虚函数）

template <typename Derived>
class Shape {
public:void draw() {// 调用派生类的具体实现static_cast<Derived*>(this)->drawImpl();}
};class Circle : public Shape<Circle> {
public:void drawImpl() { std::cout << "Drawing Circle" << std::endl; }
};class Square : public Shape<Square> {
public:void drawImpl() { std::cout << "Drawing Square" << std::endl; }
};int main() {Circle circle;Square square;circle.draw();  // 输出 "Drawing Circle"square.draw();  // 输出 "Drawing Square"
}

底层原理：

通过 static_cast 在编译期将基类指针转换为派生类指针，直接调用具体实现。
无虚函数表（vtable）开销，性能更高。

2.2 接口扩展与代码复用

template <typename Derived>
class Addable {
public:Derived operator+(const Derived& other) const {Derived result = static_cast<const Derived&>(*this);result += other;return result;}
};class Vector : public Addable<Vector> {
public:int x, y;Vector(int x, int y) : x(x), y(y) {}Vector& operator+=(const Vector& other) {x += other.x;y += other.y;return *this;}
};int main() {Vector v1(1, 2), v2(3, 4);Vector v3 = v1 + v2;  // 使用基类的 operator+ 实现std::cout << v3.x << ", " << v3.y << std::endl;  // 输出 "4, 6"
}

2.3 对象计数（编译期统计）

template <typename Derived>
class ObjectCounter {
public:static int count;ObjectCounter() { count++; }~ObjectCounter() { count--; }
};template <typename Derived>
int ObjectCounter<Derived>::count = 0;class MyClass : public ObjectCounter<MyClass> {};int main() {MyClass a, b;std::cout << MyClass::count << std::endl;  // 输出 "2"{MyClass c;std::cout << MyClass::count << std::endl;  // 输出 "3"}std::cout << MyClass::count << std::endl;  // 输出 "2"
}

3. CRTP 的底层原理

3.1 模板实例化与类型推导

基类模板参数：在派生类定义时，将自身类型传递给基类模板。
静态类型转换：通过 static_cast 在编译期完成派生类类型的解析。

3.2 符号生成与名称修饰

每个派生类实例化基类模板时，生成独立的符号。
例如：
- Base<Circle> → _4BaseI6CircleE
- Base<Square> → _4BaseI6SquareE

4. CRTP 的优缺点

优点	缺点
无虚函数开销，性能更高	代码可读性较低，设计复杂度较高
编译期多态，避免运行时类型检查	派生类需明确知晓基类模板的实现细节
灵活的类型操作（如运算符重载、静态接口扩展）	模板错误信息可能难以调试

5. CRTP 的高级应用

5.1 链式调用（Fluent Interface）

template <typename Derived>
class Chainable {
public:Derived& self() { return static_cast<Derived&>(*this); }Derived& setName(const std::string& name) {self().name = name;return self();}Derived& setValue(int value) {self().value = value;return self();}
};class Config : public Chainable<Config> {
public:std::string name;int value;
};int main() {Config config;config.setName("MyApp").setValue(42);std::cout << config.name << " " << config.value << std::endl; // 输出 "MyApp 42"
}

5.2 编译期策略模式

template <typename Derived>
class SortingPolicy {
public:void sort(int* data, size_t size) {static_cast<Derived*>(this)->sortImpl(data, size);}
};class QuickSort : public SortingPolicy<QuickSort> {
public:void sortImpl(int* data, size_t size) {std::cout << "QuickSort" << std::endl;// 具体实现}
};class MergeSort : public SortingPolicy<MergeSort> {
public:void sortImpl(int* data, size_t size) {std::cout << "MergeSort" << std::endl;// 具体实现}
};int main() {int arr[5] = {5, 3, 1, 4, 2};QuickSort sorter;sorter.sort(arr, 5);  // 输出 "QuickSort"
}

6. 总结

场景	技术要点
静态多态	通过 `static_cast` 调用派生类方法，避免虚函数开销
接口扩展	基类模板提供通用操作（如 `operator+`），派生类实现具体逻辑（如 `operator+=`）
编译期对象计数	利用静态成员变量统计实例数量
链式调用	返回派生类引用实现链式操作
策略模式	基类定义策略接口，派生类实现具体策略

CRTP 通过模板继承和编译期类型转换，将多态行为提前到编译期处理，适用于高性能、低延迟场景。合理使用可提升代码复用性和灵活性，但需注意设计复杂度和可维护性。

多选题

题目 1：CRTP 基类如何访问派生类的方法？

以下代码的输出是什么？

template <typename Derived>
class Base {
public:void execute() {static_cast<Derived*>(this)->impl();}
};class Derived : public Base<Derived> {
public:void impl() { std::cout << "Derived impl" << std::endl; }
};int main() {Derived d;d.execute();return 0;
}

A. 输出 Derived impl
B. 编译失败，Base 无法访问 Derived 的 impl()
C. 运行时错误，类型转换失败
D. 输出未定义行为

题目 2：静态多态与动态多态的性能对比

以下关于 CRTP 的说法，哪一项正确？

A. CRTP 通过虚函数表实现多态，性能与动态多态相同
B. CRTP 在编译期解析方法调用，性能优于动态多态
C. CRTP 必须在运行时通过 RTTI 检查类型
D. CRTP 的性能不如动态多态，因为模板实例化开销大

题目 3：CRTP 实现对象计数的行为

以下代码的输出是什么？

template <typename Derived>
class Counter {
public:static int count;Counter() { count++; }~Counter() { count--; }
};template <typename Derived>
int Counter<Derived>::count = 0;class WidgetA : public Counter<WidgetA> {};
class WidgetB : public Counter<WidgetB> {};int main() {WidgetA a1, a2;WidgetB b1;std::cout << WidgetA::count << " " << WidgetB::count << std::endl;return 0;
}

A. 2 1
B. 3 1
C. 2 0
D. 1 1

题目 4：CRTP 链式调用的实现

以下代码是否能编译通过？

template <typename Derived>
class Chainable {
public:Derived& setX(int x) {static_cast<Derived*>(this)->x = x;return *static_cast<Derived*>(this);}
};class Point : public Chainable<Point> {
public:int x, y;Point& setY(int y) { this->y = y; return *this; }
};int main() {Point p;p.setX(10).setY(20);return 0;
}

A. 编译成功
B. 编译失败，setX 返回类型错误
C. 编译失败，Point 未继承 Chainable 的正确版本
D. 运行时错误

题目 5：CRTP 与模板特化的交互

以下代码的输出是什么？

template <typename Derived>
class Base {
public:void print() { std::cout << "Base" << std::endl; }
};template <>
class Base<int> {
public:void print() { std::cout << "Base<int>" << std::endl; }
};class Derived : public Base<Derived> {
public:void print() { std::cout << "Derived" << std::endl; }
};int main() {Derived d;d.print();return 0;
}