架构设计 - CRTP 奇异递归模板模式

作者：billy
版权声明：著作权归作者所有，商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处

一、什么是 CRTP？
CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）直译是 “奇异递归模板模式”，核心特征是：一个类 A 继承自一个模板类，而这个模板类的模板参数正是类 A 本身。CRTP 在 C++ 标准库（如std::enable_shared_from_this）、开源框架（如 Boost）中广泛使用，是高性能 C++ 开发的重要技巧。

1. 最基础的 CRTP 结构

先看一个极简示例，直观理解结构：

// 模板类（基类） template <typename Derived> class Base { public: void do_something() { // 向下转型：将基类指针/引用转为派生类类型 Derived& derived = static_cast<Derived&>(*this); // 调用派生类的具体实现 derived.implementation(); } }; // 派生类：继承自Base<Derived>（模板参数是自己） class Derived : public Base<Derived> { public: void implementation() { std::cout << "Derived的具体实现" << std::endl; } }; // 测试代码 int main() { Derived d; d.do_something(); // 输出：Derived的具体实现 return 0; }

2. CRTP 的核心逻辑

基类模板通过模板参数 “感知” 派生类的类型；
基类中通过static_cast<Derived&>(*this)安全地将自身转为派生类对象；
从而可以调用派生类的成员函数 / 成员变量，实现编译期的多态（区别于运行期的虚函数多态）。

二、CRTP 的核心用途（解决什么问题？）

CRTP 的核心价值是用编译期静态绑定替代运行期动态绑定，避免虚函数的开销，同时实现 “复用代码 + 定制化实现”。

用途 1：静态多态（替代虚函数）

虚函数的多态是运行期确定调用哪个函数（有 vtable 开销），而 CRTP 在编译期就能确定，效率更高。

#include <iostream> using namespace std; // 基类模板：定义通用逻辑 template <typename Derived> class Shape { public: // 通用接口：计算面积 double area() const { // 调用派生类的具体计算逻辑 return static_cast<const Derived*>(this)->calc_area(); } }; // 圆形：定制calc_area class Circle : public Shape<Circle> { private: double radius; public: Circle(double r) : radius(r) {} // 派生类的具体实现 double calc_area() const { return 3.14159 * radius * radius; } }; // 矩形：定制calc_area class Rectangle : public Shape<Rectangle> { private: double width, height; public: Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {} double calc_area() const { return width * height; } }; int main() { Circle c(2.0); Rectangle r(3.0, 4.0); // 统一接口调用，编译期确定调用哪个calc_area cout << "圆面积：" << c.area() << endl; // 输出：12.56636 cout << "矩形面积：" << r.area() << endl; // 输出：12 return 0; }

用途 2：实现 “混入（Mixin）” 功能

Mixin 是一种代码复用方式，CRTP 可以轻松实现 Mixin，给不同类批量添加通用功能（比如日志、计数、克隆）。

#include <iostream> #include <string> using namespace std; // Mixin：添加计数功能的CRTP基类 template <typename Derived> class Counter { private: static int count; // 静态变量：统计派生类对象数量 public: Counter() { count++; } ~Counter() { count--; } // 通用接口：获取当前对象数量 static int get_count() { return count; } }; // 静态变量初始化 template <typename Derived> int Counter<Derived>::count = 0; // 类A：混入计数功能 class A : public Counter<A> {}; // 类B：混入计数功能 class B : public Counter<B> {}; int main() { A a1, a2; B b1; cout << "A的对象数：" << A::get_count() << endl; // 输出：2 cout << "B的对象数：" << B::get_count() << endl; // 输出：1 { A a3; cout << "A的对象数：" << A::get_count() << endl; // 输出：3 } // a3析构 cout << "A的对象数：" << A::get_count() << endl; // 输出：2 return 0; }

用途 3：避免代码重复（静态多态的扩展）

比如实现 “可比较” 的类，CRTP 可以封装</>/==等比较逻辑，派生类只需实现核心的operator<：

template <typename Derived> class Comparable { public: // 封装通用比较逻辑 bool operator>(const Derived& other) const { return other < static_cast<const Derived&>(*this); } bool operator<=(const Derived& other) const { return !(static_cast<const Derived&>(*this) > other); } bool operator>=(const Derived& other) const { return !(static_cast<const Derived&>(*this) < other); } }; // 整数包装类：只需实现operator< class MyInt : public Comparable<MyInt> { private: int val; public: MyInt(int v) : val(v) {} // 核心比较逻辑 bool operator<(const MyInt& other) const { return val < other.val; } }; int main() { MyInt a(5), b(10); cout << (a > b) << endl; // 输出：0（false） cout << (a <= b) << endl; // 输出：1（true） return 0; }