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【QA】CRTP在模板中有哪些用处？

article 2025/3/20 7:08:37

CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）即奇异递归模板模式，是 C++ 中的一种模板编程技术，它允许派生类将自身作为模板参数传递给基类。下面详细介绍 CRTP 技术在模板中的用途。

1. 静态多态

在传统的多态实现中，通常使用虚函数来实现动态多态，这会带来一定的运行时开销（如虚函数表查找）。而 CRTP 可以实现静态多态，避免了运行时开销，在编译期就确定调用的函数。

示例代码

cpp

#include <iostream>

// 基类模板
template <typename Derived>
class Base {
public:
    void doSomething() {
        // 调用派生类的具体实现
        static_cast<Derived*>(this)->implementation();
    }
};

// 派生类
class Derived : public Base<Derived> {
public:
    void implementation() {
        std::cout << "Derived implementation" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Derived d;
    d.doSomething();
    return 0;
}

解释

在上述代码中，Base 是一个基类模板，它通过 static_cast 将 this 指针转换为派生类 Derived 的指针，从而调用派生类的 implementation 函数。这种方式在编译期就确定了函数调用，避免了虚函数带来的运行时开销。

2. 代码复用

CRTP 可以让基类为派生类提供一些通用的功能，派生类可以复用这些功能，同时还能根据自身需求进行定制。

示例代码

cpp

#include <iostream>

// 基类模板，提供计数功能
template <typename Derived>
class Counter {
public:
    static int objectCount;

    Counter() {
        ++objectCount;
    }
    ~Counter() {
        --objectCount;
    }

    static int getObjectCount() {
        return objectCount;
    }
};

template <typename Derived>
int Counter<Derived>::objectCount = 0;

// 派生类
class MyClass : public Counter<MyClass> {};

int main() {
    MyClass obj1;
    MyClass obj2;
    std::cout << "Number of MyClass objects: " << MyClass::getObjectCount() << std::endl;
    return 0;
}

解释

在这个例子中，Counter 基类模板为派生类提供了对象计数的功能。MyClass 继承自 Counter<MyClass>，可以复用 Counter 提供的计数功能，而不需要在每个派生类中重复实现。

3. 实现编译期策略模式

CRTP 可以用于实现编译期的策略模式，允许在编译时选择不同的算法或行为。

示例代码

cpp

#include <iostream>

// 策略基类模板
template <typename Strategy>
class Algorithm {
public:
    void execute() {
        static_cast<Strategy*>(this)->algorithm();
    }
};

// 具体策略类 1
class StrategyA : public Algorithm<StrategyA> {
public:
    void algorithm() {
        std::cout << "Executing Strategy A" << std::endl;
    }
};

// 具体策略类 2
class StrategyB : public Algorithm<StrategyB> {
public:
    void algorithm() {
        std::cout << "Executing Strategy B" << std::endl;
    }
};

int main() {
    StrategyA a;
    a.execute();

    StrategyB b;
    b.execute();

    return 0;
}

解释

在这个示例中，Algorithm 是一个基类模板，它通过 CRTP 调用派生类的 algorithm 函数。StrategyA 和 StrategyB 是具体的策略类，它们实现了不同的算法。在编译时，根据选择的派生类来确定执行的具体算法。

4. 扩展类的功能

可以通过基类模板为派生类添加额外的功能，而不需要修改派生类的代码。

示例代码

cpp

#include <iostream>

// 基类模板，为派生类添加打印功能
template <typename Derived>
class Printable {
public:
    void print() {
        std::cout << static_cast<Derived*>(this)->toString() << std::endl;
    }
};

// 派生类
class MyData : public Printable<MyData> {
private:
    int value;
public:
    MyData(int v) : value(v) {}
    std::string toString() {
        return "MyData: " + std::to_string(value);
    }
};

int main() {
    MyData data(42);
    data.print();
    return 0;
}