C++中的CRTP(奇异递归模板模式)是什么?(如何实现静态多态)

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crtp是编译期多态机制,通过模板参数将派生类类型传入基类,使基类能静态调用派生类成员,实现零开销抽象;需注意定义顺序、Static_cast安全调用、避免虚析构及sfinae陷阱。

C++中的CRTP(奇异递归模板模式)是什么?(如何实现静态多态)

CRTP 是什么:编译期“虚函数表”的手工实现

CRTP 不是语法糖,也不是运行时机制——它是用模板参数把派生类类型“塞进”基类,让基类能直接调用派生类的 static 成员或非虚函数,从而绕过虚函数调用开销。本质是把多态决策压到编译期。

常见错误现象:Error: invalid use of incomplete type —— 派生类在定义前就被基类模板实例化引用,典型是基类里写了 Derived::some_func()Derived 还没完整定义。

  • 必须确保派生类定义完成后再实例化 CRTP 基类(即:先写 class Derived : public Base<derived></derived>,再写 Base 的模板体)
  • 基类中所有对派生类成员的访问,只能通过 static_cast<derived>(this)->member()</derived>Derived::static_member(后者仅限静态)
  • 不能在基类构造函数里调用派生类函数——此时派生类对象尚未构造完成,static_cast 行为未定义

怎么写一个最小可用的 CRTP 基类

核心就三步:模板参数接收派生类、用 static_cast 回调、避免虚析构(CRTP 本就不该被动态 delete)。

使用场景:需要零成本抽象的工具类,比如 enable_shared_from_this 的轻量替代、容器策略类、序列化 trait 注入。

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template <typename Derived> struct printable {     void print() {         static_cast<Derived*>(this)->do_print(); // 必须显式 cast     } };
  • Derived 必须公开继承 Printable<derived></derived>私有继承会导致 static_cast 失败
  • 如果 do_print()const 成员,基类 print() 也得加 const,否则 cv-qualifier 不匹配
  • 别加 virtual ~Printable() = default;——CRTP 基类不该被多态析构,加了反而误导使用者

为什么不用虚函数?性能和 ABI 稳定性差异在哪

虚函数调用要查 vtable、可能破坏指令预取;CRTP 调用完全内联,连函数地址都不留痕迹。但代价是:每个派生类实例化一份基类代码,代码体积略增。

兼容性影响:CRTP 类型不满足 Liskov 替换原则——Printable<a></a>Printable<b></b> 完全无关,无法用统一指针持有;而 virtual 基类可以。

  • 适合场景:库内部策略选择(如 std::vector 的 Allocator 模板参数),或明确不需要运行时多态的领域模型
  • 不适合场景:需要将不同派生类存入同一容器(如 std::vector<:unique_ptr>></:unique_ptr>),这时还是老实用虚函数
  • 调试时注意:GDB 显示的函数名可能是 Printable<mytype>::print</mytype>,不是 MyType::print,容易误判调用

容易踩的坑:SFINAE 和模板递归陷阱

一旦在 CRTP 基类里做类型推导(比如用 decltype 检查派生类是否有某函数),就极易触发 SFINAE 失败或无限模板实例化。

典型错误:error: template instantiation depth exceeds maximum —— 基类模板里又引用了自身模板参数的某个依赖模板,形成隐式递归。

  • 避免在基类中直接写 using T = typename Derived::type;,除非你能保证 Derived 已定义该嵌套类型
  • 要用 std::declval + decltype 做存在性检查时,务必包裹在 std::void_tc++20 requires 中,否则失败直接报错而非 SFINAE
  • 别在基类里定义同名但签名不同的函数试图“重载”派生类函数——C++ 查找规则不会跨继承边界自动合并,结果往往是基类函数遮蔽派生类函数

CRTP 的边界很清晰:它只解决“我知道具体类型、只需要编译期分发”的问题。一旦需求里出现“我不知道将来会有哪些派生类”,或者需要运行时决定行为分支,就该立刻切回虚函数——硬扛只会让模板错误信息越来越难读。

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