c++ 奇特的递归模板模式(CRTP)

概述

使用派生类作为模板参数特化基类。

与多态的区别

• 多态是动态绑定（运行时绑定），CRTP是静态绑定（编译时绑定）
• 在实现多态时，需要重写虚函数，因而这是运行时绑定的操作。
• CRTP在编译期确定通过基类来得到派生类的行为，它通过派生类覆盖基类成员函数来实现静态绑定的。

例子1

说明：

• 父类调用直接子类函数的方法：
  • 静态函数成员：this 指针不可见，而对于某一个实例化的继承层次来说，只有一个静态类，因此使用Derived::memberfun()实现
  • 非静态函数成员：调用非静态成员函数时，必须通过对象或者对象指针，因此将this指针进行静态转换。static_cast(this)
• 函数成员的覆盖
  如果子类中有和父类相同名称的函数（不管是否静态），父类版本被屏蔽。
• 其他
  通过子类的对象或者对象指针调用其成员函数时，总是优先在其定义中寻找可行函数，如果没有找到，就执行父类的实现版本

crtp.h

#include<iostream>
#include<stddef.h>
using namespace std;
template<class Derived>
struct Base
{
    void Interface()
    {
        cout <<"come from Interface"<<endl;
        // 转换为子类指针，编译期将绑定至子类方法
        static_cast<Derived*>(this)->Implementation();
    }  

    static void StaticInterface()
    {
        // 编译期将绑定至子类方法
        cout <<"come from StaticInterface"<<endl;
        Derived::StaticImplementation();
    }  

    void Implementation()
    {
        cout <<"Base Implementation"<<endl;
        return;
    }
    static void StaticImplementation()
    {
        cout << "Base StaticImplementation"<<endl;
        return;
    }
};  

// The Curiously Recurring Template Pattern (CRTP)
struct Derived1 : Base<Derived1>
{
    static void StaticImplementation();
};  

struct Derived2 : Base<Derived2>
{
    void Implementation();
};

crtp.cc

void Derived1::StaticImplementation()
{
    cout << "StaticImplementation from Derived1"<<endl;
    return;
}
void Derived2::Implementation()
{
    cout <<"Implementation from Derived2"<<endl;
    return;
}

• test-crtp.cc

int main()
{
    cout << "***********************************" << endl;
    Derived1 derive1;
    Derived2 derive2;
    derive1.Implementation();
    derive1.StaticImplementation();
    derive2.Implementation();
    derive2.StaticImplementation();
    cout << "***********************************" << endl << endl;

    Base<Derived1> base_derive1;
    Base<Derived2> base_derive2;
    base_derive1.Implementation();
    base_derive1.StaticImplementation();
    base_derive2.Implementation();
    base_derive2.StaticImplementation();
    cout << "***********************************" << endl << endl;

    base_derive1.StaticInterface();
    base_derive1.Interface();
    base_derive2.StaticInterface();
    base_derive2.Interface();
    cout << "***********************************" << endl << endl;

    return 0;
}

运行结果如下：

***********************************
Base Implementation
StaticImplementation from Derived1
Implementation from Derived2
Base StaticImplementation
***********************************

Base Implementation
Base StaticImplementation
Base Implementation
Base StaticImplementation
***********************************

come from StaticInterface
StaticImplementation from Derived1
come from Interface
Base Implementation
come from StaticInterface
Base StaticImplementation
come from Interface
Implementation from Derived2
***********************************

总结

• 第一组结果说明：
  • 如果子类中有和父类相同名称的函数（不管是否静态），父类版本被屏蔽。
  • 如果子类中没有找到成员函数，就执行父类的实现版本
• 第二组结果说明：
  • 通过Base<子类>对象调用成员函数时，就和通过Base对象调用成员函数一样的效果，不管实例化模板使用的模板实参是什么
• 第三组结果说明：
  • 通过在Base<子类>接口函数（Interface和StaticInterface）调用其他成员函数，可以通过使用不同的模板实参来实例化模板实现不同的接口调用效果。

应用1：实现计数

统计每个类的对象个数

template <typename T>
struct counter
{
counter(){ objects_created++;objects_alive++;}
virtual ~counter(){--objects_alive;}
static int objects_created;
static int objects_alive;
};
// 类外初始化
template <typename T> int counter<T>::objects_created( 0 );
template <typename T> int counter<T>::objects_alive( 0 );
class X : counter<X>{// ...}；
class Y : counter<Y>{ // ...}；
//X和Y类都有自己的计数

应用2：实现对象的引用计数

• ns3中simple-ref-count.h

此处m_count是对象的成员变量

template <typename T, typename PARENT = empty, typename DELETER = DefaultDeleter<T> >
class SimpleRefCount : public PARENT
{
public:
  SimpleRefCount (): m_count (1){}
  inline void Ref (void) const
  {
    m_count++;
  }
  inline void Unref (void) const
  {
    m_count--;
    if (m_count == 0)
      {
        DELETER::Delete (static_cast<T*> (const_cast<SimpleRefCount *> (this)));
      }
  }
   mutable uint32_t m_count;
};

• ns3中某一个需要计数的类

class Object : public SimpleRefCount<Object, ObjectBase, ObjectDeleter>
{
.....
}