C++ CRTP（奇異遞歸模板模式）

---

CRTP 是什么？

一句話總結：CRTP 就是讓子類把自己作為模板參數傳遞給父類。

聽起來有點繞，直接上代碼就明白了：

template <typename Derived>
class Base {// ...
};class Derived : public Base<Derived> {// ...
};

Derived 繼承自 Base<Derived>，也就是說，子類把自己“遞歸”地傳給了父類。這就是“奇異遞歸”的由來。

---

CRTP 有啥用？

其實 CRTP 最常用的場景有三個：

1. 靜態多態：不用虛函數也能實現類似多態的效果，而且沒有虛表，效率高。
2. 代碼復用：基類寫通用邏輯，子類只需要實現自己的部分。
3. 每個子類獨立的靜態成員：比如計數器，每個子類都有自己的靜態變量。

---

CRTP 的原理

CRTP 的核心原理其實很簡單，就是利用了 C++ 模板的“編譯期展開”特性，讓基類在編譯時就能知道派生類的類型。

1. static_cast 的作用

在 CRTP 里，基類通常會用 static_cast<Derived*>(this) 把自己轉換成派生類指針，然后調用派生類的方法。這樣，雖然代碼寫在基類里，但實際調用的是派生類的實現。

比如：

void interface() {static_cast<Derived*>(this)->implementation();
}

這行代碼在編譯期就能確定 Derived 的類型，所以沒有虛表，也沒有運行時開銷。

2. 編譯期多態的本質

CRTP 實現的是“靜態多態”，也就是多態的分發發生在編譯期，而不是運行時。模板展開時，基類里的 static_cast<Derived*> 會被替換成具體的派生類類型，所有調用都在編譯時就確定了。

3. 代碼復用和靜態接口約束

• 代碼復用：基類可以寫通用的邏輯，比如日志、計數、接口包裝等，具體實現交給派生類。這樣不同的派生類可以復用同一套基類邏輯。
• 靜態接口約束：如果派生類沒有實現基類里要調用的方法（比如 implementation()），編譯時就會報錯。這其實是一種“編譯期接口檢查”，比傳統的虛函數更早發現問題。

---

一個簡單的例子

假如我有一堆不同的動物，每種動物都能“說話”，但我又不想用虛函數（比如對性能有要求），CRTP 就能派上用場：

#include <iostream>template <typename Derived>
class Animal {
public:void speak() {static_cast<Derived*>(this)->speak_impl();}
};class Dog : public Animal<Dog> {
public:void speak_impl() {std::cout << "汪汪！" << std::endl;}
};class Cat : public Animal<Cat> {
public:void speak_impl() {std::cout << "喵喵！" << std::endl;}
};int main() {Dog d;Cat c;d.speak(); // 汪汪！c.speak(); // 喵喵！return 0;
}

這里的 Animal 基類里有個 speak()，但真正的實現是在子類里。通過 static_cast<Derived*>(this)，基類可以“靜態”地調用子類的方法。這樣既有多態的效果，又沒有虛函數的開銷。

---

CRTP 實例

1. 每個子類獨立計數

有時候我想統計每種類型各自創建了多少對象，CRTP 也能輕松搞定：

template <typename Derived>
class Counter {
public:static int count;Counter() { ++count; }
};
template <typename Derived>
int Counter<Derived>::count = 0;class Apple : public Counter<Apple> {};
class Banana : public Counter<Banana> {};int main() {Apple a1, a2;Banana b1;std::cout << Apple::count << std::endl;  // 輸出2std::cout << Banana::count << std::endl; // 輸出1
}

每個子類都有自己的靜態成員變量，互不影響。

2 . 日志

#include <iostream>
#include <string>// CRTP 日志基類
template <typename Derived>
class LoggerBase {
public:void runWithLog(const std::string& opName) {std::cout << "[LOG] 開始操作: " << opName << std::endl;static_cast<Derived*>(this)->run();  // 調用派生類的 run()std::cout << "[LOG] 結束操作: " << opName << std::endl;}
};// 業務類A
class MyAlgorithm : public LoggerBase<MyAlgorithm> {
public:void run() {std::cout << "算法A正在運行..." << std::endl;}
};// 業務類B
class MyService : public LoggerBase<MyService> {
public:void run() {std::cout << "服務B正在處理..." << std::endl;}
};int main() {MyAlgorithm algo;MyService svc;algo.runWithLog("算法A任務");svc.runWithLog("服務B任務");return 0;
}

---

CRTP 和虛函數的區別

• 虛函數：運行時多態，有虛表指針，靈活但有點性能損耗。
• CRTP：編譯期多態，沒有虛表，效率高，但只能在編譯期確定類型。

---

---