浅析C++中的CRTP

程序员的园

发布于 2025-02-18 21:16:07

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代码可运行

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代码可运行

在C++编程中，有许多精妙的设计模式和技巧，CRTP(Curiously Recurring Template Pattern,奇异递归模板模式)便是其中之一，作为一种简洁而强大的模式，被广泛用于提高代码的灵活性和性能。

基本思想

CRTP利用模板元编程的特性，通过模板继承的方式实现递归结构。CRTP的基本思想：基类模板以派生类作为模板参数，在基类接口中将this指针强转为派生类指针，调用派生类中的方法，从而实现了一种静态多态性。

如下的示例代码有助于理解CRTP的工作原理：

// 基类模板
template <typename Derived>
class CBase {
public:
void commonMethod() {
static_cast<Derived*>(this)->implementation();
    }

void anotherCommonMethod() {
std::cout << "Another common method in Base." << std::endl;
    }
};

// 派生类1
class Derived1 : public CBase<Derived1> {
public:
void implementation() {
std::cout << "Implementation in Derived1." << std::endl;
    }
};

// 派生类2
class Derived2 : public CBase<Derived2> {
public:
void implementation() {
std::cout << "Implementation in Derived2." << std::endl;
    }
};


void test_CRTP()
{
    Derived1 d1;
    d1.commonMethod();
    d1.anotherCommonMethod();

    Derived2 d2;
    d2.commonMethod();
    d2.anotherCommonMethod();
}

由如上代码可知，CBase模板类作为一个接口，定义了一个commonMethod方法，它通过CRTP的方式调用派生类中的方法implementation。派生类Derived1和Derived2都继承自CBase，并实现了implementation方法。通过CRTP，我们可以在基类中调用派生类的方法，而不需要使用虚函数的运行时开销。

扩展

CRTP在C++标准库中有广泛应用，模板类std::enable_shared_from_this便是其中之一，应用代码如下：

class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
public:
void foo() 
{
// 在成员函数中调用 shared_from_this() 获取指向自身的 std::shared_ptr
std::shared_ptr<MyClass> ptr = shared_from_this();
std::cout << "SharedPtr count: " << ptr.use_count() << std::endl;
}
};

int using_enable() 
{
std::shared_ptr<MyClass> objPtr = std::make_shared<MyClass>();
// 在 MyClass 的成员函数中调用 shared_from_this() 方法
objPtr->foo();
return 0;
}

自定义类继承自模板类std::enable_shared_from_this，便可以在自定义类中使用模板类中的shared_from_this() 方法。注意需要自定义本身调用了shared_ptr的构造函数后，方可调用shared_from_this() 方法。

这是因为shared_from_this()使用模板类内持有的弱引用指针进行转换得到自身的共享指针shared_ptr。只有调用shared_ptr的构造函数且自定义类继承自std::enable_shared_from_this时才会给弱指针赋值。如果弱引用指针未被赋值，空指针强转会触发异常。

回归CRTP，自定义类需要将自身作为模板参数传递给 std::enable_shared_from_this，在派生类中才可以使用 std::enable_shared_from_this 提供的 shared_from_this() 方法。

如果将非自定义类作为模板参数传递给 std::enable_shared_from_this会出现编译错误，示例如下

class A
{
public:
    A()=default;
    ~A()=default;
};

class MyClass : 
        public std::enable_shared_from_this<A> 
{
public:
void foo() {
//error， error C2440: “初始化”: 无法从“std::shared_ptr<A>”转换为“std::shared_ptr<MyClass>”
//std::shared_ptr<MyClass> ptr = shared_from_this();
//std::cout << "SharedPtr count: " << ptr.use_count() << std::endl;
    }
};

CRTP的应用场景

CRTP通常用于需要在编译期解决多态性问题的情况下，以提高代码性能和灵活性。一些常见的应用场景包括：