【C++】CRTP：奇异递归模板模式

什么是CRTP？CRTP的全称是Curiously Recurring Template Pattern，即奇异递归模板模式，简称CRTP。CRTP是一种特殊的模板技术和使用方式，是C++模板编程中的一种惯用法。CRTP的特性表现为：

基类是一个模板类派生类继承该基类时，将派生类自身作为模板参数传递给基类

典型代码如下：

// 基类是模板类
template 
class base
{
public:
    virtual ~base() {}

    void func()
    {
        if (auto t = static_cast(this))
        {
            t->op();
        }
    }
};

// 派生类Derived继承自base，并以自身作为模板参数传递给基类
class Derived : public base
{
public:
    void op()
    {
        std::cout << "Derived::op()" << std::endl;
    }
};

可以看到，在基类内部，通过使用static_cast，将this指针转换为模板参数类型T的指针，然后调用类型T的方法。这里有个问题：

我们知道，当static_cast用于类层次结构中基类（父类）和派生类（子类）之间指针或引用的转换，在进行上行转换（把派生类的指针或引用转换成基类表示）是安全的；而下行转换（把基类指针或引用转换为派生类表示）由于没有动态类型检查，所以不一定安全。

但是，CRTP 的设计原则就是假设 Derived 会继承于 base。CRTP的要求是，所有的派生类应有如下形式的定义：

class Derived1 : public base {};
class Derived2 : public base {};

从基类对象的角度看，派生类对象就是本身（即Derived是一个base，猫是一种动物）。

而在实际使用时，我们只使用Derived1，Derived2的对象，不会直接使用base，base类型定义对象。这就保证了当static_cast被执行的时候，基类base的指针一定指向一个子类DerivedX的对象，因此转换是安全的。

优点：省去动态绑定、查询虚函数表带来的开销。通过CRTP，基类可以获得到派生类的类型，提供各种操作，比普通的继承更加灵活。但CRTP基类并不会单独使用，只是作为一个模板的功能。缺点：模板的通病，即影响代码的可读性。 2. CRTP的用途 2.1. 静态分发（“静态多态”）

多态是指同一个方法在基类和不同派生类之间有不同的行为。但CRTP中每个派生类继承的基类随着模板参数的不同而不同，也就是说，base和base并不是同一个基类类型。因此，这里的“静态多态”打上了引号，表明它并不是一种严格意义上的多态。

template 
class base
{
public:
    base() {}
    virtual ~base() {}

    void func()
    {
        if (auto t = static_cast(this))
        {
            t->op();
        }
    }
};

class Derived1 : public base
{
public:
    Derived1() {}
    void op()
    {
        std::cout << "Derived1::op()" << std::endl;
    }
};

class Derived2 : public base
{
public:
    Derived2() {}
    void op()
    {
        std::cout << "Derived2::op()" << std::endl;
    }
};

// 辅助函数：完成静态分发
template
void helperFunc(base& d)
{
    d.func();
}

int main(int argc, char* argv[]) 
{
    Derived1 d1;
    Derived2 d2;
    helperFunc(d1);
    helperFunc(d2);

    return 0;
}

如下是代码的输出：

Derived1::op()
Derived2::op()

模板类或模板函数在调用时才会实例化。因此当base::func()被调用时，base已经知道Derived1::op()的存在。

实现不同子类的计数器：

template
class Counter
{
public:
    static int count;
    Counter()
    {
        ++Counter::count;
    }
    ~Counter() 
    {
        --Counter::count;
    }
};
template
int Counter::count = 0;

class DogCounter : public Counter
{
public:
    int getCount()
    {
        return this->count;
    }
};

class CatCounter : public Counter
{
public:
    int getCount()
    {
        return this->count;
    }
};

int main(int argc, char* argv[]) 
{
    DogCounter d1;
    std::cout << "DogCount : " << d1.getCount() << std::endl;
    {
        DogCounter d2;
        std::cout << "DogCount : " << d1.getCount() << std::endl;
    }
    std::cout << "DogCount : " << d1.getCount() << std::endl;

    CatCounter c1, c2, c3, c4, c5[3];
    std::cout << "CatCount : " << c1.getCount() << std::endl;

    return 0;
}

运行上段代码，输出如下：

DogCount : 1
DogCount : 2
DogCount : 1
CatCount : 7

不过计数器有什么用呢？我们会在代码里这样定义和使用计数器吗？我不知道，至少放在这里，可以加深一下对CRTP的理解吧。

开源项目中，CRTP应用广泛。

LLVM中大量使用了CRTP技术，如下随便截取一段代码：

namespace mlir {
class Operation final
    : public llvm::ilist_node_with_parent,
      private llvm::TrailingObjects {
public:
    /// ...

MLIR中极其重要的数据结构之一mlir::Operation的声明处，可以看到它继承自一个模板基类。我们调到这个基类的地方：

template 
class ilist_node_with_parent : public ilist_node {
protected:
  ilist_node_with_parent() = default;

private:
  /// Forward to NodeTy::getParent().
  ///
  /// Note: do not use the name "getParent()".  We want a compile error
  /// (instead of recursion) when the subclass fails to implement a
  /// getParent().
  const ParentTy *getNodeParent() const {
    return static_cast(this)->getParent();
  }

可以看到，在getNodeParent()接口中同样存在static_cast。整个开源项目中这样的用法数不胜数。

某个类想返回智能指针版的this时，需要该类继承enable_shared_from_this,通过shared_from_this()返回对应智能指针。

	// CLASS TEMPLATE enable_shared_from_this
template
	class enable_shared_from_this
	{	// provide member functions that create shared_ptr to this
public:
	using _Esft_type = enable_shared_from_this;

	_NODISCARD shared_ptr<_Ty> shared_from_this()
		{	// return shared_ptr
		return (shared_ptr<_Ty>(_Wptr));
		}

	_NODISCARD shared_ptr shared_from_this() const
		{	// return shared_ptr
		return (shared_ptr(_Wptr));
		}

	_NODISCARD weak_ptr<_Ty> weak_from_this() noexcept
		{	// return weak_ptr
		return (_Wptr);
		}

	_NODISCARD weak_ptr weak_from_this() const noexcept
		{	// return weak_ptr
		return (_Wptr);
		}