奇异递归模板模式

理论说明

奇异递归模板模式（Curiously Recurring Template Pattern, CRTP） 是一种设计模式，其原理很简单：

继承者将自身作为模板参数传递给基类

如下：

struct Foo : SomeBase<Foo>
{
...
}

CRTP模式的功能

静态多态

通过 CRTP，可以在编译时实现多态行为，而不是依赖于运行时多态（如虚函数表）。这可以减少运行时开销，因为编译器可以内联函数调用。

#include<iostream>
using namespace std;

template <typename Derived>
class Shape {
public:
        void draw() {
                static_cast<Derived*>(this)->draw();
        }
};

class circle : public Shape<circle> {
public:
        void draw() {
                cout << "Drawing a circle" << endl;
        }
};

class square : public Shape<square> {
public:
        void draw() {
                cout << "Drawing a square" << endl;
        }
};

int main() {
        circle circle;
        square square;
        circle.draw();
        square.draw();
        return 0;
}

运行结果：

Drawing a circle
Drawing a square

强制静态接口

CRTP 可以用于确保派生类实现某些接口，因为基类可以调用派生类的方法。如果派生类未实现这些方法，将在编译时产生错误。

template <typename Derived>
class Interface {
public:
    void perform() {
        static_cast<Derived*>(this)->perform();
    }
};

class Implementation : public Interface<Implementation> {
public:
    void perform() {
        std::cout << "Performing implementation" << std::endl;
    }
};

在上面的代码中，基类保证了子类必须有 perform 函数的重写，也就是强制接口。

编译时多态优化

CRTP 可以帮助实现一些模板元编程技术，优化代码在编译时的行为。例如，EBO（Empty Base Optimization）可以利用 CRTP 来减少对象的内存占用。

template <typename T>
class EmptyBase {
};

class Derived : public EmptyBase<Derived> {
};

在 C++ 中，如果一个类是空的（即没有非静态成员变量，没有虚函数，没有虚基类），它通常不会占用任何内存空间。这个优化称为 空基类优化（Empty Base Optimization, EBO）。当一个派生类继承一个空基类时，编译器可以将这个基类的存储空间与派生类的其他成员共享，从而减少内存占用。

用下面的代码来做解释：

#include <iostream>

template <typename T>
class EmptyBase {
    // Empty base class
};

class NonEmptyDerived : public EmptyBase<NonEmptyDerived> {
public:
    int data;
};

int main() {
    std::cout << "Size of EmptyBase: " << sizeof(EmptyBase<NonEmptyDerived>) << std::endl;
    std::cout << "Size of NonEmptyDerived: " << sizeof(NonEmptyDerived) << std::endl;
    return 0;
}

输出结果：

解释

• EmptyBase<NonEmptyDerived> 是一个空基类，按照一般规则，空类通常会占用 1 字节的空间来保证不同对象具有唯一的地址。

• NonEmptyDerived 继承自 EmptyBase<NonEmptyDerived>，并且有一个 int 成员 data。通常 int 占用 4 字节空间。

由于 EmptyBase 是空的，编译器会应用 EBO，将 EmptyBase 的存储空间与 NonEmptyDerived 的 data 成员共享。因此，最终的 NonEmptyDerived 对象大小仅为 4 字节，即 int 的大小，而没有额外增加由于基类而带来的存储开销。