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C++設(shè)計(jì)模式之CRTP的使用

更新時(shí)間：2023年10月18日 14:09:34 作者：思想覺悟

CRTP全稱是curious?recurring?template?pattern,即奇異遞歸模版模式,是一種c++的設(shè)計(jì)模式,精巧地結(jié)合了繼承和模板編程的技術(shù),下面就跟隨小編一起來學(xué)習(xí)一下CRTP的使用吧

什么是CRTP

CRTP全稱是curious recurring template pattern，即奇異遞歸模版模式，是一種c++的設(shè)計(jì)模式，精巧地結(jié)合了繼承和模板編程的技術(shù)。可以用來給c++的class提供額外功能、實(shí)現(xiàn)靜態(tài)多態(tài)等。

在CRTP之前只聽說C++通過指針實(shí)現(xiàn)了動態(tài)多態(tài)，現(xiàn)在居然搞出了一個(gè)靜態(tài)多態(tài)的東西出來？不得不感慨C++真是一門高深莫測的語言...

動態(tài)多態(tài)

在了解靜態(tài)多態(tài)之前我們先來回顧一下動態(tài)多態(tài)，C++ 通過類的繼承與虛函數(shù)的動態(tài)綁定，實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。這種特性，使得我們能夠用基類的指針，訪問子類的實(shí)例。

#include <iostream>

class Animal{
public:
    // 注意需要添加virtual關(guān)鍵字
    virtual void run(){
        std::cout << "Animal run" << std::endl;
    }
};

class Cat:public Animal{
public:
    void run() override{
        std::cout << "Cat run" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::vector<Animal> animalVec;
    animalVec.emplace_back(Animal());
    // 非指針的形式，其實(shí)內(nèi)部調(diào)用的還是Animal的run
    animalVec.emplace_back(Cat());
    for (auto animal:animalVec) {
        animal.run();
    }
    // 動態(tài)多態(tài)需要通過指針的形式實(shí)現(xiàn)
    std::vector<Animal*> animalVecPtr;
    animalVecPtr.push_back(new Animal());
    animalVecPtr.push_back(new Cat());
    for (auto animal:animalVecPtr) {
        animal->run();
    }
    return 0;
}

CRTP的一個(gè)重要功能就是用來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)多態(tài)，CRTP在編譯階段就將子類類型以模版的形式傳遞到父類，以便在編譯階段實(shí)現(xiàn)多態(tài)性，這就是靜態(tài)多態(tài)。

既然有了動態(tài)多態(tài)，為什么還需要靜態(tài)多態(tài)呢？答案是精益求精，為了效率而生...

我們知道動態(tài)多態(tài)是基于虛函數(shù)的形式在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動態(tài)綁定的，因此每次運(yùn)行時(shí)都需要查詢虛函數(shù)表，所以動態(tài)綁定會降低程序的執(zhí)行效率。為了兼顧多態(tài)與效率，就提出了CRTP。

CRTP的使用

我們先來看看在cppreference中是如何使用CRTP的

下面我們依然使用上面Animal的例子通過CRTP的方式實(shí)現(xiàn)靜態(tài)多態(tài)。

首先我們按照官方的例子，依瓢畫葫蘆：

#include <iostream>

template  < class T >
class Animal{
public:
    virtual ~Animal(){

    };
    // CRTP這里已經(jīng)不需要使用virtual關(guān)鍵字了
     void run(){
        (static_cast<T*>(this))->run();
    }
};

class Cat:public Animal<Cat>{
public:
    void run(){
        std::cout << "Cat run" << std::endl;
    }
};

class Dog:public Animal<Dog>{
public:
    void run(){
        std::cout << "Dog run" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Animal<Cat>* cat = new Cat;
    cat->run();
    delete cat;
    Animal<Dog>* dog = new Dog;
    dog->run();
    delete dog;
    return 0;
}

程序運(yùn)行起來后打印如下：

可以發(fā)現(xiàn)通過CRTP我們不使用關(guān)鍵字virtual也能實(shí)現(xiàn)了通過父類指針調(diào)用子類方法效果，這就是靜態(tài)多態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，它比動態(tài)多態(tài)更高效，更安全。

通過上面的例子我們總結(jié)一下使用CRTP的三個(gè)重要步驟：

繼承自模版類，因?yàn)橛玫搅死^承，因此析構(gòu)函數(shù)需要用virtual修飾，以避免內(nèi)存泄露。
子類將自身通過模板參數(shù)傳遞給父類。
父類通過static_cast關(guān)鍵字將模板參數(shù)靜態(tài)轉(zhuǎn)化成子類，然后調(diào)用子類的鴨子模型方法。

一般來說將父類轉(zhuǎn)換成子類一般使用的是dynamic_cast，而CRTP是在編譯期間就已經(jīng)明確知道了子類的具體類型，因此直接使用static_cast更為高效。這也正是CRTP這種設(shè)計(jì)的一大精髓。

通過仔細(xì)對比我們動態(tài)多態(tài)和靜態(tài)多態(tài)的兩個(gè)例子我們發(fā)現(xiàn)還是有點(diǎn)不一樣的，我們在動態(tài)多態(tài)中將Animal的指針添加到了std::vector中去，那么我們的CRTP能否也這樣做呢？我們來試一下：

#include <iostream>

template<class T>
class Animal {
public:
    virtual ~Animal() {

    };
    // CRTP這里已經(jīng)不需要使用virtual關(guān)鍵字了
    void run() {
        (static_cast<T *>(this))->run();
    }
};

class Cat : public Animal<Cat> {
public:
    void run() {
        std::cout << "Cat run" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal<Dog> {
public:
    void run() {
        std::cout << "Dog run" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::vector<Animal<Cat>*> animalVec;
    animalVec.emplace_back(new Cat());
    // 報(bào)錯(cuò)了，因?yàn)関ector存放的數(shù)據(jù)類型是Animal<Cat>
    animalVec.emplace_back(new Dog());
    for (auto animal: animalVec) {
        animal->run();
    }
    return 0;
}

我們發(fā)現(xiàn)報(bào)錯(cuò)了，因?yàn)锳nimal和Animal不是同樣的數(shù)據(jù)類型，不能同時(shí)放入同一個(gè)vector中去。既然問題的根源是他們不是同樣的數(shù)據(jù)類型，那么我們將它們變成同樣的數(shù)據(jù)類型不就是行了嗎？那么怎么把它們變成同樣的數(shù)據(jù)類型呢？

讓它們繼承一個(gè)共同的基類即可。這樣就是動態(tài)多態(tài)與靜態(tài)多態(tài)結(jié)合使用的例子了。

實(shí)例代碼如下：

#include <iostream>

class BaseAnimal {
public:
    virtual ~BaseAnimal() {

    };

    virtual void run() = 0;
};

template<class T>
class Animal: public BaseAnimal{
public:
    virtual ~Animal() {

    };
    // CRTP這里已經(jīng)不需要使用virtual關(guān)鍵字了
    void run() override{
        (static_cast<T *>(this))->run();
    }
};

class Cat : public Animal<Cat> {
public:
    void run() override {
        std::cout << "Cat run" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal<Dog> {
public:
    void run() override {
        std::cout << "Dog run" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::vector<BaseAnimal*> animalVec;
    animalVec.emplace_back(new Cat());
    // 報(bào)錯(cuò)了，因?yàn)関ector存放的數(shù)據(jù)類型是Animal<Cat>
    animalVec.emplace_back(new Dog());
    for (auto animal: animalVec) {
        animal->run();
    }
    return 0;
}

這樣一來，我們通過CRTP與虛函數(shù)結(jié)合，即保留了動態(tài)多態(tài)的各種特性，也減少了部分虛函數(shù)的查找開銷。

到此這篇關(guān)于C++設(shè)計(jì)模式之CRTP的使用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++設(shè)計(jì)模式內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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