什么是奇怪的重复模板模式 （CRTP）？

简而言之，CRTP 是指一个类具有基类，该基类是类本身的模板专用化。例如AA

template <class T> 
class X{...};
class A : public X<A> {...};

它奇怪地反复出现，不是吗？:)

现在，这给你带来了什么？这实际上使模板能够成为其专用化的基类。X

例如，您可以像这样创建一个通用单例类（简化版本）

#include <iostream>

template <class T>
class Singleton
{
public:
     static T* GetInstance() {
         if ( p == nullptr ) p = new T();
         return p;
     }
protected:
     Singleton() = default;

     Singleton(Singleton const &) = delete;
     Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

private:
     static T *p;
};
template <class T>
T *Singleton<T>::p= nullptr;

现在，为了使任意类成为单例，您应该这样做A

class A : public Singleton<A> 
{ 
friend Singleton;
private:
    A() = default;
};
A *a0= A::GetInstance();

在这种情况下，不需要 CRTP，如下所示：

class C 
{ 
friend Singleton<C>; 
private: C() = default;
};
C *c1= Singleton<C>::GetInstance();

所以你明白了吗？单一实例模板假定其对任何类型的专用化都将继承自，因此其所有（公共、受保护）成员都可以访问，包括 ！CRTP 还有其他有用的用途。例如，如果你想计算你的类当前存在的所有实例，但想将这个逻辑封装在一个单独的模板中（具体类的想法很简单 - 有一个静态变量，在 ctors 中递增，在 dtors 中递减）。试着把它当作一种练习来做！Xsingleton<X>GetInstance

另一个有用的例子，对于 Boost（我不确定他们是如何实现的，但 CRTP 也会这样做）。 想象一下，你只想为你的类提供运算符，但自动为它们提供运算符！<==

你可以这样做：

template<class Derived>
class Equality
{
};

template <class Derived>
bool operator == (Equality<Derived> const& op1, Equality<Derived> const & op2)
{
    Derived const& d1 = static_cast<Derived const&>(op1);//you assume this works     
    //because you know that the dynamic type will actually be your template parameter.
    //wonderful, isn't it?
    Derived const& d2 = static_cast<Derived const&>(op2); 
    return !(d1 < d2) && !(d2 < d1);//assuming derived has operator <
}

或在模板范围内实现，无需强制转换

template<class T>
class Equality
{
    friend bool operator == (const T& op1, const T& op2)
    { 
        return !(op1 < op2) && !(op2 < op1); 
    }
};

现在你可以像这样使用它了

struct Apple:public Equality<Apple> 
{
    int size;
};

bool operator < (Apple const & a1, Apple const& a2)
{
    return a1.size < a2.size;
}

现在，您还没有为 ？但是你有它！你可以写==Apple

int main()
{
    Apple a1;
    Apple a2; 

    a1.size = 10;
    a2.size = 10;
    if(a1 == a2) //the compiler won't complain! 
    {
    }
}

如果您只为 编写运算符，这似乎会写得更少，但想象一下模板不仅会提供 ， ， 等。您可以将这些定义用于多个类，重用代码！==AppleEquality==>>=<=

CRTP是一件美妙的事情:)HTH型

请注意：

CRTP可用于实现静态多态性（与动态多态性类似，但没有虚函数指针表）。

#pragma once
#include <iostream>
template <typename T>
class Base
{
    public:
        void method() {
            static_cast<T*>(this)->method();
        }
};

class Derived1 : public Base<Derived1>
{
    public:
        void method() {
            std::cout << "Derived1 method" << std::endl;
        }
};


class Derived2 : public Base<Derived2>
{
    public:
        void method() {
            std::cout << "Derived2 method" << std::endl;
        }
};


#include "crtp.h"
int main()
{
    Derived1 d1;
    Derived2 d2;
    d1.method();
    d2.method();
    return 0;
}

输出将是：

Derived1 method
Derived2 method

在这里，你可以看到一个很好的例子。如果使用虚拟方法，程序将知道在运行时执行什么。实现 CRTP 编译器是在编译时决定的!!这是一场伟大的表演！

template <class T>
class Writer
{
  public:
    Writer()  { }
    ~Writer()  { }

    void write(const char* str) const
    {
      static_cast<const T*>(this)->writeImpl(str); //here the magic is!!!
    }
};


class FileWriter : public Writer<FileWriter>
{
  public:
    FileWriter(FILE* aFile) { mFile = aFile; }
    ~FileWriter() { fclose(mFile); }

    //here comes the implementation of the write method on the subclass
    void writeImpl(const char* str) const
    {
       fprintf(mFile, "%s\n", str);
    }

  private:
    FILE* mFile;
};


class ConsoleWriter : public Writer<ConsoleWriter>
{
  public:
    ConsoleWriter() { }
    ~ConsoleWriter() { }

    void writeImpl(const char* str) const
    {
      printf("%s\n", str);
    }
};

这不是一个直接的答案，而是 CRTP 如何有用的一个示例。

---

CRTP 的一个很好的具体示例来自 C++11：std::enable_shared_from_this

[util.smartptr.enab]/1

类可以继承 to 继承成员函数，这些成员函数获取指向 的实例。Tenable_­shared_­from_­this<T>shared_­from_­thisshared_­ptr*this

也就是说，继承 可以获取指向实例的共享（或弱）指针，而无需访问它（例如，从您只知道的成员函数）。std::enable_shared_from_this*this

当您需要提供但您只能访问以下权限时，它很有用：std::shared_ptr*this

struct Node;

void process_node(const std::shared_ptr<Node> &);

struct Node : std::enable_shared_from_this<Node> // CRTP
{
    std::weak_ptr<Node> parent;
    std::vector<std::shared_ptr<Node>> children;

    void add_child(std::shared_ptr<Node> child)
    {
        process_node(shared_from_this()); // Shouldn't pass `this` directly.
        child->parent = weak_from_this(); // Ditto.
        children.push_back(std::move(child));
    }
};

你不能直接传递而不是传递的原因是它会破坏所有权机制：thisshared_from_this()

struct S
{
    std::shared_ptr<S> get_shared() const { return std::shared_ptr<S>(this); }
};

// Both shared_ptr think they're the only owner of S.
// This invokes UB (double-free).
std::shared_ptr<S> s1 = std::make_shared<S>();
std::shared_ptr<S> s2 = s1->get_shared();
assert(s2.use_count() == 1);

CRTP 是一种实现编译时多态性的技术。这是一个非常简单的例子。在下面的示例中，使用类接口并调用派生对象的方法，这就是您打算使用虚拟方法执行的操作。ProcessFoo()BaseBase::Foofoo()

http://coliru.stacked-crooked.com/a/2d27f1e09d567d0e

template <typename T>
struct Base {
  void foo() {
    (static_cast<T*>(this))->foo();
  }
};

struct Derived : public Base<Derived> {
  void foo() {
    cout << "derived foo" << endl;
  }
};

struct AnotherDerived : public Base<AnotherDerived> {
  void foo() {
    cout << "AnotherDerived foo" << endl;
  }
};

template<typename T>
void ProcessFoo(Base<T>* b) {
  b->foo();
}


int main()
{
    Derived d1;
    AnotherDerived d2;
    ProcessFoo(&d1);
    ProcessFoo(&d2);
    return 0;
}

输出：

derived foo
AnotherDerived foo

使用 CRTP 的另一个很好的例子是观察者设计模式的实现。一个小例子可以这样构建。

假设你有一个类，并且你有一些侦听器类，如 、 等。侦听器类（观察者） 每当日期更改完成时，应由主题类（可观察）通知，以便他们可以完成他们的工作（在某些中绘制日期 格式，提醒特定日期等）。您可以做的是有两个参数化基类，您应该从中派生 your 和 observer 类（在我们的例子中）。有关观察者设计模式的实现，请参考 GOF 等经典书籍。在这里，我们只需要 突出显示 CRTP 的使用。让我们来看看它。 在我们的实现草案中，基类有一个纯虚方法，每当发生状态更改时，类都应该调用它， 我们称之为 此方法 。让我们看一下这个小抽象基类的代码。datedate_drawerdate_reminderdateobserverobservabledatedate_drawerobserverobservablestate_changed

template <typename T>
struct observer
{
    virtual void state_changed(T*, variant<string, int, bool>) = 0;
    virtual ~observer() {}
};

在这里，我们应该关注的主要参数是第一个参数，它将成为更改状态的对象。第二个参数 将是被更改的字段，它可以是任何东西，甚至可以省略它，这不是我们主题的问题（在这种情况下，它是 3 个字段）。 第二个基类是T*std::variant

template <typename T>
class observable
{
    vector<unique_ptr<observer<T>>> observers;
protected:
    void notify_observers(T* changed_obj, variant<string, int, bool> changed_state)
    {
        for (unique_ptr<observer<T>>& o : observers)
        {
            o->state_changed(changed_obj, changed_state);
        }
    }
public:
    void subscribe_observer(unique_ptr<observer<T>> o)
    {
        observers.push_back(move(o));
    }
    void unsubscribe_observer(unique_ptr<observer<T>> o)
    {

    }
};

它也是一个依赖于类型的参数类，它与传递给函数内部函数的对象相同。 剩下的只是介绍实际的主体类和观察者类。这里使用 CRTP 模式，我们从 observable<date>： class date ： public observable<date> 派生日期可观察类。T*state_changednotify_observersdatedate_drawer

class date : public observable<date>
{
    string date_;
    int code;
    bool is_bank_holiday;

public:
    void set_date_properties(int code_ = 0, bool is_bank_holiday_ = false)
    {
        code = code_;
        is_bank_holiday = is_bank_holiday_;
        //...
        notify_observers(this, code);
        notify_observers(this, is_bank_holiday);
    }

    void set_date(const string& new_date, int code_ = 0, bool is_bank_holiday_ = false) 
    { 
        date_ = new_date; 
        //...
        notify_observers(this, new_date);
    }
    string get_date() const { return date_; }
};

class date_drawer : public observer<date>
{
public:
    void state_changed(date* c, variant<string, int, bool> state) override
    {
        visit([c](const auto& x) {cout << "date_drawer notified, new state is " << x << ", new date is " << c->get_date() << endl; }, state);
    }
};

让我们编写一些客户端代码：

date c;
c.subscribe_observer(make_unique<date_drawer>());
c.set_date("27.01.2022");
c.set_date_properties(7, true);

该测试程序的输出将是。

date_drawer notified, new state is 27.01.2022, new date is 27.01.2022
date_drawer notified, new state is 7, new date is 27.01.2022
date_drawer notified, new state is 1, new date is 27.01.2022

请注意，使用 CRTP 并在发生状态更改时传递给通知函数（和此处）。允许我们在实际的观察者类中覆盖纯虚函数时使用，因此我们在它里面有 （不是 ），例如我们可以调用 （在我们的例子中） 的非虚函数 在函数中。 我们可以避免使用 CRTP，因此不参数化观察者设计模式实现，而是在任何地方使用基类指针。这样我们就可以达到同样的效果，但在这种情况下，每当我们想使用派生类指针时（即使不是很推荐），我们都应该使用下沉，它有一些运行时开销。thisnotify_observersset_date_propertiesset_datedate*void state_changed(date* c, variant<string, int, bool> state)date_drawerdate* cobservable*date*get_datestate_changedobservabledynamic_cast