惯用法之CRTP
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2022-07-08 13:34
你好，我是雨乐！
在之前的文章<<多态实现-虚函数、函数指针以及变体>>一文中，提到了多态的几种实现方式，今天，借助这篇文章，聊聊多态的另外一种实现方式CRTP。
概念
CRTP是Curiously Recurring Template Pattern的缩写，中文译为奇异的递归模板模式，是由James O. Coplien在其1995年的论文中首次提出。
wikipedia给出了CRTP的一般形式，如下：
// The Curiously Recurring Template Pattern (CRTP)
template <class T>
class Base
{
// methods within Base can use template to access members of Derived
};
class Derived : public Base<Derived>
{
// ...
};看到这种定义方式，你一定感到很奇怪，其实，这种实现方式称为继承自模板。有一定编程经验的人，如果对于智能指针比较熟悉，那么已经无意中接触过这种技术，如下例子：
class Test: public std::enable_shared_from_this<Test> {
// ...
};如果与wikipedia给出的CRTP做对比，在这个示例中，Test对应于CRTP形式中的Derive的，而std::enable_shared_from_this()则对应于Base类。
那么，这样做的好处或者目的是什么呢？
其实，这样做的目的其实很明确，从基类对象的角度来看，派生类对象其实就是本身，这样的话只需要使用类型转换就可以把基类转化成派生类，从而实现基类对象对派生对象的访问。
为了便于更加清晰的理解，完整举例如下：
template <typename T>
class Base {
public:
void interface() {
static_cast<T*>(this)->imp();
};
};
class Derived : public Base<Derived> {
public:
void imp() {
std::cout<< "in Derived::imp" << std::endl;
}
};
int main() {
Base<Derived> b;
d.interface();
return 0;
}在上述例子中，我们发现在Base类的interface接口中，使用static_cast进行类型转换，从而调用派生类的成员函数。可能会有人感到好奇，为什么不用dynamic_cast进行类型转换呢？主要是因为dynamic_cast应用于运行时，而模板是在编译器就进行了实例化。
编译运行，输出结果如下：
in Derived::imp从上面的输出结果可以看出，即使我们没有声明virtual函数，也实现了多态的功能。
截止到此，我们对CRTP有了一个初步的认识，总结起来，其有以下两个特点：
• 继承自模板类
• 派生类将自身作为参数传给模板类
颠倒继承
仍然使用上一节中的例子，如下：
template <typename T>
class Base {
public:
void interface() {
static_cast<T*>(this)->imp();
};
};
class Derived : public Base<Derived> {
public:
void imp() {
std::cout << "in Derived::imp" << std::endl;
}
};
int main() {
Derived d;
d.interface();
return 0;
}在这个例子中，派生类Derived中定义了一个成员函数imp()，而该函数在基类Base中是没有声明的，所以，我们可以理解为对于CRTP，在基类中调用派生类的成员函数，扩展了基类的功能。而对于普通继承，则是派生类中调用基类的成员函数，扩展了派生类的功能，这就是我们所说的颠倒继承。
使用场景
俗话说，存在即合理。既然有CRTP，那么其必然有自己存在的道理。那么CRTP都用在什么场景呢？
静态多态
其实，在前面的例子中，已经大致了解了使用crtp技术来实现多态功能，该种实现方式为静态多态，是在编译期实现的。
下面通过一个具体的例子来理解静态多态。
#include <iostream>
#include <iostream>
template <typename T>
class Base{
public:
void interface(){
static_cast<T*>(this)->imp();
}
void imp(){
std::cout << "in Base::imp" << std::endl;
}
};
class Derived1 : public Base<Derived1> {
public:
void imp(){
std::cout << "in Derived1::imp" << std::endl;
}
};
class Derived2 : public Base<Derived2> {
public:
void imp(){
std::cout << "in Derived2::imp" << std::endl;
}
};
class Derived3 : public Base<Derived3>{};
template <typename T>
void fun(T& base){
base.interface();
}
int main(){
Derived1 d1;
Derived2 d2;
Derived3 d3;
fun(d1);
fun(d2);
fun(d3);
return 0;
}在上述代码中，定义了一个函数fun()，在其函数体内调用interface()函数。如果类型为Derived1和Derived2，则会调用这俩类型对应的imp()函数。而对于Derived3，因为其类内没有实现imp()函数，所以调用的是Base类即基类的imp函数。
编译运行之后，输出如下：
in Derived1::imp
in Derived2::imp
in Base::imp从上述输出可以看出，即使不使用virtual，也实现了多态功能，其二者的区别是：virtual是运行时多态，而CRTP则是在编译期就对模板进行了实例化，所以属于静态多态。
代码复用
假如，现在需要实现一个功能，根据对象的具体类型，输出其类型名称。
class Base {
public:
void PrintType() {
std::cout << typeid(*this).name() << std::endl;
}
};
class Derived : public Base {};
class Derived1 : public Base {};
void PrintType(const Base& base) {
base.PrintType();
}
对于此种需求，首先想到的是使用virtual的多态功能实现，代码也很好写，如下：
#include <iostream>
#include <typeinfo>
class Base {
public:
virtual void PrintType() const {
std::cout << typeid(*this).name() << std::endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
virtual void PrintType() const {
std::cout << typeid(*this).name() << std::endl;
}
};
class Derived1 : public Base {
public:
virtual void PrintType() const {
std::cout << typeid(*this).name() << std::endl;
}
};
void PrintType(const Base& base) {
base.PrintType();
}
int main() {
Derived d;
Derived1 d1;
PrintType(d);
PrintType(d1);
return 0;
}输出如下：
7Derived
8Derived1ps: 需要注意的是，在上面的输出类型中，前面都有一个数字，这个数字是类名的长度。
而如果使用CRTP，则实现如下：
#include <iostream>
#include <typeinfo>
template<typename T>
class Base {
public:
void PrintType() {
T &t = static_cast<T&>(*this);
std::cout << typeid(t).name() << std::endl;
}
};
class Derived : public Base<Derived> {};
class Derived1 : public Base<Derived1> {};
template<typename T>
void PrintType(T base) {
base.PrintType();
}
int main() {
Derived d;
Derived1 d1;
PrintType(d);
PrintType(d1);
return 0;
}函数输出如下：
7Derived
8Derived1通过上述输出可以看出，即使在Derived和Derived1类中没有定义PrintType()函数，也实现了与virtual函数一样的效果，所以使用CRTP的另外一个好处是避免冗余代码。
性能对比
既然crtp也能实现多态，那么就有必要跟传统的运行时多态实现方式virtual来做下对比。
virtual.cc:
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <sys/time.h>
class Base {
public:
virtual void PrintType() const {
}
};
class Derived : public Base {
public:
virtual void PrintType() const {
}
};
class Derived1 : public Base {
public:
virtual void PrintType() const {
}
};
void PrintType(const Base& base) {
base.PrintType();
}
int main() {
Derived d;
Derived1 d1;
struct timeval start;
struct timeval end;
gettimeofday(&start_, NULL);
for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
PrintType(d);
PrintType(d1);
}
gettimeofday(&end, nullptr);
double cost = 1000000 * (end.tv_sec - start.tv_sec) +
end.tv_usec - start.tv_usec;
std::cout << "virtual time cost " << cost << std::endl;
return 0;
}crtp.cc:
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <sys/time.h>
template<typename T>
class Base {
public:
void PrintType() const {
T &t = static_cast<T&>(*this);
t.PrintType();
}
};
class Derived : public Base<Derived> {
public:
void PrintType() const {}
};
class Derived1 : public Base<Derived1> {
public:
void PrintType() const {}
};
template<typename T>
void PrintType(T base) {
base.PrintType();
}
int main() {
Derived d;
Derived1 d1;
struct timeval start;
struct timeval end;
gettimeofday(&start, nullptr);
for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
PrintType(d);
PrintType(d1);
}
gettimeofday(&end, NULL);
double cost = 1000000 * (end.tv_sec - start.tv_sec) +
end.tv_usec - start.tv_usec;
std::cout << "crtp time cost " << cost << std::endl;
return 0;
}对上述两段代码分别编译运行之后，输出如下：
virtual time cost 22757
crtp time cost 7871从上述输出可以看出，crtp的耗时是virtual实现方式的1/3。
局限性
既然CRTP能实现多态性，且其性能优于virtual，那么virtual还有没有存在的必要么？
虽然CRTP最终还是调用派生类中的成员函数。但是，问题在于Base类实际上是一个模板类，而不是一个实际的类。因此，如果存在名为Derived和Derived1的派生类，则基类模板初始化将具有不同的类型。这是因为，Base类将进行不同类型的特化，
class Derived : public Base<Derived> {
void imp(){
std::cout << "in Derived::imp" << std::endl;
}
};
class Derived1 : public Base<Derived1> {
void imp(){
std::cout << "in Derived1::imp" << std::endl;
}
};如果创建Base类模板的指针，则意味着存在两种类型的Base指针，即:
// CRTP
Base<Derived> *b = new Derived;
Base<Derived> *b1 = new Derived1;显然，这与我们虚函数的方式不同。因为，动态多态性只给出了一种Base指针。但是现在，每个派生类都可以使用不同的指针类型。
// virtual
Base *v1 = new Derived;
Base *v2 = new Derived1;正是因为基于CRTP方式的指针具有不同的类型，所以不能将CRTP基类指针存储在容器中，下面的代码将编译失败：
int main() {
Base<Derived> *d = new Derived;
Base<Derived> *d1 = new Derived1;
auto vec = {d, d1};
return 0;
}编译器输出如下：
test.cc: In function ‘int main()’:
test.cc:33: error: cannot convert ‘Derived1*’ to ‘Base<Derived>*’ in initialization
test.cc:35: error: ISO C++ forbids declaration of ‘vec’ with no type
test.cc:35: error: scalar object ‘vec’ requires one element in initializer正是因为其局限性，所以CRTP是一种特殊类型的多态性，在少数情况下可以替代动态多态性的需要。
结语
通过CRTP技术，在某种程度上也可以实现多态功能，但其也仅限定于使用场景，正如局限性一节中所提到的，CRTP是一种特殊类型的多态性，在少数情况下可以替代动态多态性的需要；另外，使用CRTP技术，代码可读性降低、模板实例化之后的代码膨胀以及无法动态绑定(在编译期决实例化)，因此，我们可以根据使用场景，来灵活选择CRTP或者virtual来达到多态目的。
好了，今天的文章就到这，我们下期见！