C++的静态分发(CRTP)和动态分发(虚函数多态)的比较

虚函数是C++实现多态的工具，在运行时根据虚表决定调用合适的函数。这被称作动态分发。虚函数很好的实现了多态的要求，但是在运行时引入了一些开销，包括：

1. 对每一个虚函数的调用都需要额外的指针寻址
2. 虚函数通常不能被inline，当虚函数都是小函数时会有比较大的性能损失
3. 每个对象都需要有一个额外的指针指向虚表

所以如果是一个对性能要求非常严格的场合，我们就需要用别的方式来实现分发，这就是今天这篇博客的主角CRTP。

CRTP通过模板实现了静态分发，会带来很多性能的好处。可以参见The cost of dynamic (virtual calls) vs. static (CRTP) dispatch in C++看一下性能比较。

 

下面简单介绍一下怎么实现CRTP。

 

首先看我们的父类：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

template<typename Derived> class Parent { public: void SayHi() { static_cast<Derived*>(this)->SayHiImpl(); } private: void SayHiImpl() // no need if no need the default implementation { cout << "hi, i'm default!" << endl; } };

它是一个模板类，它有一个需要接口函数是SayHi。它有一个默认实现在SayHiImpl中。

 

再来看看它的子类：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

class ChildA :public Parent<ChildA> { public: void SayHiImpl() { cout << "hi, i'm child A!" << endl; } }; class ChildB :public Parent<ChildB> { };

我们可以看到ChildA和ChildB继承自这个模板类，同时ChildA有自己的实现。

 

在写一个普通的用虚函数实现分发的类：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

class ParentB { public: void virtual SayHi() { cout << "hi, i'm default!" << endl; } }; class ChildC : public ParentB { public: void SayHi() { cout << "hi, i'm ChildC!" << endl; } }; class ChildD : public ParentB { };

 

然后是调用这两个父类的函数：

1 2 3 4 5 6 7 8 9

template<typename Derived> void CRTP(Parent<Derived>& p) { p.SayHi(); } void Dynamic(ParentB& p) { p.SayHi(); }

 

再来看看main函数：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

int _tmain(int argc, TCHAR* argv[]) { ChildA a; CRTP(a); cout << "size of ChildA: " << sizeof(a) << endl; ChildB b; CRTP(b); cout << "size of ChildB: " << sizeof(b) << endl; ChildC c; Dynamic(c); cout << "size of ChildC: " << sizeof(c) << endl; ChildD d; Dynamic(d); cout << "size of ChildD: " << sizeof(d) << endl; return 0; }

 

如果运行这个程序，可以看到如下的输出，可以看到CRTP可以实现和虚函数一样的功能，但是内存大小会有很大优势，关于对象内存可以参见我之前的博客怎么看C++对象的内存结构 和 怎么解密C++的name Mangling：

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9

hi, i'm child A! size of ChildA: 1 hi, i'm default! size of ChildB: 1 hi, i'm ChildC! size of ChildC: 4 hi, i'm default! size of ChildD: 4 Press any key to continue . . .

 

完整代码参见gist。