CRTP在项目优化中的使用
目录
CRTP基本概念
CRTP的基本原理
CRTP与传统动态多态对比
使用场景
静态多态
代码复用
项目优化中实践
统一的单利模板
单利模板的CRTP继承扩展
单利类的使用示例
CRTP基本概念
CRTP 全称 Curiously Recurring Template Pattern，即奇异递归模板模式。是一种 C++ 编程技巧，使用模板类和继承的组合来实现静态多态。该模式的关键思想是：在模板类的定义中，模板参数是当前类自身（通常是派生类）。这个技巧通常用于实现编译时多态，优化性能，C++中std:: enable_shared_from_this 也是一种CRTP的实践。。一般代码形式如下：
// 先定义一个模板类作为基类
template <typename T>
class Base
{...
};// 定义一个派生类，这个类继承以自身作为参数的基类
class Derived : public Base<Derived>
{...
};CRTP的基本原理
基类模板利用了其成员函数体（即成员函数的实现）在声明之后很久都不会被实例化（实际上只有被调用的模板类的成员函数才会被实例化），并利用了派生类的成员函数（通过类型转化）。
假设当前需要设计一个 Analimal类中包含 getCharacters() 接口，有不同的子类对该接口进行实现，很容易想到的方法是利用 C++ 的多态机制，实现大概是这样：
class Analimal
{virtual std::string getCharacters() = 0;
};class Cat: public Analimal
{std::string getCharacters() override{return "Cat is a small animal...";}
};class Dog : public Analimal
{std::string getCharacters() override{return "Dog is a loaty anmial...";}
};这样是传统动态多态的实现方法，在运行时通过查询虚函数表，找到实际调用接口，返回正确的类名。
CRTP 的形式如何实现：
template <typename T>
class Analimal
{virtual std::string getCharacters(){// 强制转换为子类，调用子类的characters()return static_cast<T *>(this)->characters();}
};class Cat: public Analimal<Cat>
{std::string characters() override{return "Cat is a small animal...";}
};class Dog : public Analimal<Cat>
{std::string characters() override{return "Dog is a loaty anmial...";}
};基类在编译时就可以知道派生类的信息！因此，以前是虚函数调用，现在是在编译期就将模板与正确的函数进行绑定。（通过继承实现虚函数的功能，又没有了虚函数调用产生的开销）,这种“虚调用”不会产生过多的开销。编译器在编译时就一直跟踪调用方法，甚至会内联它。
CRTP与传统动态多态对比
| 特性 | CRTP（静态多态） | 动态多态 |
|---|---|---|
| 性能 | 高效，无运行时开销（内联优化可能性大） | 有虚函数表查找开销，性能略低 |
| 灵活性 | 受限，类型在编译时固定 | 灵活，类型可以在运行时动态选择 |
| 类型安全性 | 高，编译时检查 | 低，存在类型转换失败风险 |
| 编译期 vs 运行期 | 完全在编译时 | 依赖运行时 |
| 耦合性 | 较高，A 模块使用 B 模块中的 CRTP 实现，涉及到的符号都得对 A 模块可见 | 较低，A 模块使用 B 模块中的接口类，接口实际实现的类不需要对 A 模块暴露 |
| 可读性 | 很差，涉及到模版，还存在代码体积膨胀问题 | 较差 |
使用场景
静态多态
以以上Analimal的代码为例，实际使用时。
template <typename T>
void getCharacterDsc(T& base){base.getCharacters();
}int main(){Dog d;Cat c;getCharacterDsc(d);getCharacterDsc(c);return 0;
} 定义了一个函数getCharacterDsc()，在其函数体内调用getCharacters()函数。如果类型为Dog和Cat，则会调用这俩类型对应的characters()函数。即不使用virtual，也实现了多态功能，其二者的区别是：virtual是运行时多态，而CRTP则是在编译期就对模板进行了实例化，所以属于静态多态。
代码复用
现在需要实现一个功能，根据对象的具体类型，输出其类型名称。传统的动态多态写法如下，代码比较冗余。
#include <iostream>
#include <typeinfo>class Base {public:virtual void PrintType() const {std::cout << typeid(*this).name() << std::endl;}
};class Derived : public Base {public:virtual void PrintType() const {std::cout << typeid(*this).name() << std::endl;}
};
class Derived1 : public Base {public:virtual void PrintType() const {std::cout << typeid(*this).name() << std::endl;}
};void PrintType(const Base& base) {base.PrintType();
}
使用CRTP则精简如下：
template<typename T>
class Base {public:void PrintType() {T &t = static_cast<T&>(*this);std::cout << typeid(t).name() << std::endl;}
};class Derived : public Base<Derived> {};
class Derived1 : public Base<Derived1> {};template<typename T>
void PrintType(T base) {base.PrintType();
}项目优化中实践
在实际项目中单利模式具有极高的使用率，但是一个线程安全的单利模式书写需要及其仔细小心；以下是通过CRTP方式实现单利模板，在需要时仅仅需要继承即可，极大的提高了代码的复用率和可维护性。
统一的单利模板
#pragma once
#ifndef __SINGLETON_TEMPLATE_H__
#define __SINGLETON_TEMPLATE_H__#include <QMutex>
#include <mutex>
template<typename T>
class Singleton
{
public:static inline T* getInstance(){if (m_instance == 0){std::lock_guard<std::mutex>(m_lock)if (m_instance == 0){m_instance = new T;}}return m_instance;}static inline void free(){m_bFree = true;std::lock_guard<std::mutex>(m_lock)if (m_instance != 0){delete m_instance;m_instance = 0;}}protected:Singleton() {}virtual ~Singleton(){if (!m_bFree){std::lock_guard<std::mutex>(m_lock)if (m_instance != 0){delete m_instance;m_instance = 0;}}}
private:Singleton(const Singleton&) = default;private:static T* m_instance;static std::mutex m_lock;static bool m_bFree;
};template<typename T>
T* Singleton<T>::m_instance = NULL;template<typename T>
std::mutex Singleton<T>::m_lock;template<typename T>
bool Singleton<T>::m_bFree = false;#endif // __SINGLETON_TEMPLATE_H__
单利模板的CRTP继承扩展
以下是以一个缓存类为例，继承单利模板，从而保证缓存类的全局唯一性。
#define g_DataCache Singleton<CacheHelper>::getInstance()
class CacheHelper:public<CacheHelper>
{friend Singleton<CacheHelper>;
public:string getValue(const string&key) const;void setValue(const string&key, const string&value);/*...*/
private:CacheHelper() {}~CacheHelper() {};std::map<string, string>m_CacheMap;/*...*/
};
单利类的使用示例
//使用
{g_DataCache->setValue("name","xiaoming");g_DataCache->setValue("sex", "men");string name = g_DataCache->getValue("name");string sex = g_DataCache->getValue("sex");
}//软件退出
static void releaseResource()
{//...g_DataCache->free();//...
}