第二十一章:模板與繼承_《C++ Templates》notes

模板與繼承

- - 重點和難點
  - 編譯與測試說明
  - 第一部分：多選題 (10題)
  - 第二部分：設計題 (5題)
  - 答案與詳解
  - - 多選題答案：
    - 設計題參考答案
  - 測試說明

重點和難點

21.1 空基類優化（EBCO）

知識點
空基類優化（Empty Base Class Optimization）允許編譯器在派生類中優化空基類的存儲空間。若基類沒有非靜態成員變量、虛函數或虛基類，其大小可被優化為0字節，避免空間浪費。

代碼示例

#include <iostream>// 空基類
class EmptyBase {};// 未使用EBCO的類
class NoEBCO {EmptyBase e;int data;
};// 使用EBCO的派生類
class WithEBCO : private EmptyBase {int data;
};int main() {std::cout << "Sizeof(EmptyBase): " << sizeof(EmptyBase) << " bytes\n";std::cout << "Sizeof(NoEBCO): " << sizeof(NoEBCO) << " bytes\n";std::cout << "Sizeof(WithEBCO): " << sizeof(WithEBCO) << " bytes\n";return 0;
}

輸出結果

Sizeof(EmptyBase): 1 bytes
Sizeof(NoEBCO): 8 bytes   // 空基類+對齊導致大小增加
Sizeof(WithEBCO): 4 bytes // EBCO優化后僅包含int大小

代碼解析

EmptyBase是空類，默認大小為1字節（占位符）。
NoEBCO包含一個空類成員，由于對齊規則，總大小為int(4) + EmptyBase(1) + 填充(3) = 8字節。
WithEBCO通過繼承空基類，編譯器優化基類存儲，總大小僅為int的4字節。

21.2 奇異遞歸模板模式（CRTP）

知識點
CRTP通過將派生類作為模板參數傳遞給基類，實現編譯時多態。基類可以直接調用派生類的方法，無需虛函數開銷。

代碼示例

#include <iostream>// CRTP基類模板
template <typename Derived>
class Base {
public:void interface() {static_cast<Derived*>(this)->implementation();}
};// 派生類
class Derived : public Base<Derived> {
public:void implementation() {std::cout << "Derived::implementation() called\n";}
};int main() {Derived d;d.interface(); // 調用基類方法，實際執行派生類實現return 0;
}

輸出結果

Derived::implementation() called

代碼解析

Base模板將Derived作為模板參數，通過static_cast將this轉為派生類指針。
Derived繼承Base<Derived>并實現implementation方法。
調用interface()時，基類直接調用派生類的具體實現，無需虛函數表。

21.2.1 Barton-Nackman技巧

知識點
Barton-Nackman技巧結合CRTP和友元函數，在基類中定義運算符，使派生類自動獲得運算符支持。

代碼示例

#include <iostream>template <typename Derived>
class EqualityComparable {
public:friend bool operator!=(const Derived& lhs, const Derived& rhs) {return !(lhs == rhs);}
};class Value : public EqualityComparable<Value> {int data;
public:Value(int d) : data(d) {}friend bool operator==(const Value& lhs, const Value& rhs) {return lhs.data == rhs.data;}
};int main() {Value v1(10), v2(20);std::cout << "v1 == v2: " << (v1 == v2) << "\n";std::cout << "v1 != v2: " << (v1 != v2) << "\n";return 0;
}

輸出結果

v1 == v2: 0
v1 != v2: 1

代碼解析

EqualityComparable模板提供operator!=，其實現依賴于派生類的operator==。
Value類繼承EqualityComparable<Value>并定義operator==，自動獲得operator!=支持。

21.3 Mixins

知識點
Mixins通過模板繼承動態組合功能，允許在編譯時為類添加特定行為。

代碼示例

#include <iostream>// Mixin基類：添加打印功能
template <typename T>
class Printable {
public:void print() const {std::cout << static_cast<const T&>(*this).data << "\n";}
};// 目標類使用Mixin
class MyValue : public Printable<MyValue> {
public:int data;MyValue(int d) : data(d) {}
};int main() {MyValue val(42);val.print(); // 輸出：42return 0;
}

輸出結果

代碼解析

Printable模板通過CRTP提供print方法，訪問派生類的data成員。
MyValue繼承Printable<MyValue>，獲得print功能，無需手動實現。

21.4 命名模板參數

知識點
通過默認模板參數和標簽技術，模擬命名參數，提升模板代碼可讀性。

代碼示例

#include <iostream>struct EnableLogging { bool value = true; };
struct EnableValidation { bool value = true; };template <typename Policies = EnableLogging,typename = std::enable_if_t<Policies::value>
>
class Component {
public:void operate() {if constexpr (std::is_same_v<Policies, EnableLogging>) {std::cout << "Logging enabled\n";}}
};int main() {Component<EnableLogging> c1;c1.operate(); // 輸出：Logging enabledComponent<EnableValidation> c2;c2.operate(); // 無輸出（未處理Validation）return 0;
}

輸出結果

Logging enabled

代碼解析

使用結構體標簽（如EnableLogging）作為模板參數，明確指定功能開關。
if constexpr在編譯時根據策略選擇代碼路徑。

編譯與測試說明

所有代碼示例均包含完整的main函數，可直接編譯運行。使用C++17或更高標準編譯：

g++ -std=c++17 filename.cpp -o output
./output

第一部分：多選題 (10題)

關于空基類優化（EBCO），以下說法正確的有：
A. 可以完全消除空基類的內存占用
B. 適用于繼承鏈中的任意空基類
C. 要求空基類必須是首個基類
D. 可以通過私有繼承實現優化
CRTP模式的典型應用場景包括：
A. 靜態多態實現
B. 編譯期接口約束
C. 運行時類型識別
D. 運算符重載優化
混入（Mixins）技術的優勢體現在：
A. 避免多重繼承的菱形問題
B. 支持運行時動態組合功能
C. 編譯期生成具體類型
D. 減少虛函數調用開銷
關于模板參數化虛函數，正確的描述是：
A. 虛函數模板必須被顯式特化
B. 可以通過模板參數選擇實現版本
C. 每個特化版本生成獨立虛表
D. 支持協變返回類型
以下哪些技術可以消除類型冗余存儲：
A. EBCO
B. CRTP
C. 空成員優化
D. 虛繼承
CRTP實現中常見的錯誤包括：
A. 基類未聲明為友元
B. 派生類未正確傳遞模板參數
C. 基類調用未實現的派生類方法
D. 未正確處理移動語義
模板與繼承結合的優勢包括：
A. 編譯期多態優化性能
B. 類型安全的接口擴展
C. 動態類型擦除
D. 減少代碼重復
關于成員函數指針與模板繼承，正確的說法是：
A. 可以通過模板生成成員函數指針表
B. 模板參數可以用于選擇成員函數
C. 成員函數指針大小與類布局無關
D. 虛函數表指針會影響EBCO效果
模板元編程在繼承中的應用包括：
A. 生成類型特征檢測基類
B. 自動生成混入類層次
C. 編譯期選擇繼承鏈
D. 動態創建派生類實例
處理模板繼承中的名稱查找問題，正確做法包括：
A. 使用this->顯式限定
B. 通過using聲明引入基類名稱
C. 完全特化基類模板
D. 使用ADL查找規則

第二部分：設計題 (5題)

空基類優化存儲系統
設計一個Storage模板類，支持通過EBCO優化空標記類型的存儲：
- 包含一個任意類型的值和一個標記類型
- 當標記類型為空時應用EBCO
- 提供統一的get()接口訪問存儲值
CRTP數學庫接口
使用CRTP實現數值類型系統：
- 定義Number基類模板要求派生類實現add()
- 實現Complex和Rational派生類
- 支持operator+的編譯期多態
編譯期混入生成器
創建MixinGenerator模板：
- 接受功能類列表作為模板參數
- 生成組合所有功能的具體類型
- 確保功能類方法無沖突
類型特征繼承檢測器
開發TypeChecker模板：
- 使用SFINAE檢測類型是否繼承特定模式
- 支持檢測CRTP關系
- 生成編譯期布爾值結果
參數化虛函數調度器
實現VirtualDispatcher：
- 通過模板參數指定虛函數實現版本
- 避免虛表膨脹
- 保持多態調用語義

答案與詳解

多選題答案：

AD
A正確：EBCO完全消除空基類占用
D正確：私有繼承可以應用優化
B錯誤：需要滿足布局條件
C錯誤：非必須首個基類
ABD
A正確：CRTP核心是靜態多態
B正確：接口約束典型應用
D正確：運算符重載優化案例
C錯誤：CRTP不涉及運行時類型
AC
A正確：混入避免繼承層次問題
C正確：編譯期生成具體類型
B錯誤：混入是靜態組合
D錯誤：不直接減少虛函數開銷
BC
B正確：模板參數選擇實現
C正確：每個特化獨立虛表
A錯誤：虛函數不能是模板
D錯誤：模板虛函數不支持協變
AC
A正確：EBCO優化空基類
C正確：空成員優化技術
B/D不直接解決存儲冗余
ABC
A正確：需要友元訪問派生類
B正確：模板參數傳遞錯誤常見
C正確：基類方法需派生類實現
D錯誤：移動語義無關CRTP
ABD
A正確：編譯期多態優勢
B正確：類型安全擴展
D正確：模板減少重復代碼
C錯誤：類型擦除是動態技術
ABD
A正確：模板生成函數表
B正確：模板參數選擇函數
D正確：虛表指針影響布局
C錯誤：成員指針依賴布局
ABC
A正確：特征檢測基類
B正確：生成混入層次
C正確：編譯期選擇繼承
D錯誤：動態創建是運行時
AB
A正確：顯式this限定
B正確：using引入名稱
C錯誤：完全特化不解決查找
D錯誤：ADL不適用類作用域

設計題參考答案

空基類優化存儲系統

template <typename T, typename Tag>
class Storage : private Tag {T value;
public:Storage(T v, Tag t = {}) : Tag(t), value(v) {}T get() const { return value; }Tag get_tag() const { return *this; }
};// 空標記類型
struct EmptyTag {};// 測試
int main() {Storage<int, EmptyTag> s1(42);std::cout << sizeof(s1) << "\n";  // 4字節（優化生效）struct NonEmptyTag { int x; };Storage<int, NonEmptyTag> s2(42, {5});std::cout << sizeof(s2) << "\n";  // 8字節（無優化）
}

CRTP數學庫接口

template <typename Derived>
class Number {
public:Derived operator+(const Derived& other) const {return derived().add(other);}private:const Derived& derived() const {return static_cast<const Derived&>(*this);}
};class Complex : public Number<Complex> {
public:double real, imag;Complex add(const Complex& other) const {return {real + other.real, imag + other.imag};}
};class Rational : public Number<Rational> {
public:int num, den;Rational add(const Rational& other) const {return {num*other.den + other.num*den, den*other.den};}
};// 測試
int main() {Complex a{1,2}, b{3,4};auto c = a + b;  // 編譯期多態Rational x{1,2}, y{3,4};auto z = x + y;
}

編譯期混入生成器

template <typename... Mixins>
class MixinGenerator : public Mixins... {
public:using Mixins::operator()...;template <typename... Args>MixinGenerator(Args&&... args) : Mixins(std::forward<Args>(args))... {}
};// 功能類
struct Logger {void log() { std::cout << "Logging\n"; }
};struct Validator {void validate() { std::cout << "Validating\n"; }
};// 測試
int main() {MixinGenerator<Logger, Validator> obj;obj.log();obj.validate();
}

類型特征繼承檢測器

template <typename T, template <typename> class Template>
struct is_crtp_derived {
private:template <typename U>static std::true_type test(typename Template<U>::type*);static std::false_type test(...);public:static constexpr bool value = decltype(test(static_cast<T*>(nullptr)))::value;
};// CRTP基類定義
template <typename Derived>
struct CRTPBase {using type = Derived;
};// 測試類
class Good : public CRTPBase<Good> {};
class Bad {};int main() {static_assert(is_crtp_derived<Good, CRTPBase>::value);static_assert(!is_crtp_derived<Bad, CRTPBase>::value);
}

參數化虛函數調度器

template <int Version>
class Dispatcher {
public:virtual ~Dispatcher() = default;virtual void execute() {if constexpr (Version == 1) {std::cout << "Version 1\n";} else if constexpr (Version == 2) {std::cout << "Version 2\n";}}
};class ClientV1 : public Dispatcher<1> {};
class ClientV2 : public Dispatcher<2> {};// 測試
int main() {ClientV1 v1;ClientV2 v2;Dispatcher<1>* d1 = &v1;Dispatcher<2>* d2 = &v2;d1->execute();  // 輸出Version 1d2->execute();  // 輸出Version 2
}