CRTP-模板编程初次尝试

在 C++ 语言中，CRTP（Curiously Recurring Template Pattern，好奇递归模板模式）是一种高级模板技巧，常用于实现静态多态。它在需要避免虚函数开销、提高接口复用性、增强类型安全时具有显著优势。

在读代码的时候，有时会看到下面的写法：

class Derived : public Base<Derived>

之前我都是直接跳过的，但是最近写图数据结构的时候再次接触了，就把这部分详细看了看。

基本了解

1. CRTP 的基本形式

CRTP 的核心思想是：一个类将自身作为模板参数传递给其基类，这种设计模式可用于在编译期实现多态调用。

template<typename Derived>
class Base {
public:
    void interface() {
        static_cast<Derived*>(this)->implementation();
    }
};

class Derived : public Base<Derived> {
public:
    void implementation() {
        std::cout << "Derived implementation\n";
    }
};

调用 interface() 时，实际会在编译期解析并绑定到 Derived::implementation()，实现零运行时开销的多态。

2. 为什么使用 CRTP

优势

• 零运行时开销：无虚表，无 RTTI，调用开销为常规函数级别；
• 更容易内联：调用目标在编译期已知，编译器更容易进行内联优化；
• 良好的可组合性：可以构造策略模板、表达式模板等结构，组合多个行为而不依赖多重继承。

3. CRTP vs 虚函数：性能对比

我们使用 Google Benchmark 测试三种函数调用方式：

• BM_none：普通函数调用；
• BM_dynamic：虚函数调用；
• BM_crtp：CRTP 调用。

测试结果如下：

Benchmark           Time             CPU   Iterations UserCounters...
------------------------------------------------------------
BM_none         0.492 ns        0.484 ns   1000000000 items_per_second=66.0645G/s
BM_dynamic       36.2 ns         33.7 ns     21333333 items_per_second=949.797M/s
BM_crtp         0.510 ns        0.516 ns   1000000000 items_per_second=62.0606G/s

解读

• 虚函数调用开销远高于 CRTP（约 65~70 倍）；
• CRTP 与普通函数调用几乎持平，是性能敏感场景下的优选。

适用场景

4. CRTP 的适用边界

不能替代虚函数的情况：

• 无法支持运行时多态；
• 无法使用 std::vector<Base*> 存储派生类对象；
• 模板展开可能导致编译慢、代码膨胀；
• 基类中不能依赖派生类的不完整定义（如 sizeof(Derived)）。

CRTP的一个主要限制是基类B的大小不依赖他的模板参数T。B通过D进行实例化，无法获取D中完整的类型。

template<typename Derived>
class Base {
    char buf[sizeof(Derived)]; // ❌ 错误，因为此时 Derived 是 incomplete
    Derived member;            // ❌ 错误，类大小依赖 T
};

Derived* ptr;  // OK
static_cast<Derived*>(this)->doSomething();

在 CRTP 模式中，基类 Base 的实例化时机早于 T 本身的定义完成。因此，Base不能依赖 T 的完整定义，比如大小、成员变量等。

适用场景：

• 类型在编译期已知；
• 不需要类型擦除或容器存储；
• 性能关键路径（如表达式模板、驱动、渲染器等）。

5. 为什么 CRTP 没有广泛替代虚函数？

• 不能实现运行时类型擦除：CRTP 类型不是多态接口，不能统一处理多个子类；
• 写法复杂抽象：Base<Derived> 的递归结构初学者难以理解；
• 模板代码编译慢、可读性差；
• 调试器和 IDE 对模板支持不如虚函数好；
• 无法 override 检查，接口易失误。

6. CRTP 与 Concepts 结合

C++20 引入的 Concepts 可为 CRTP 提供编译期约束：

template<typename T>
concept Shape = requires(const T& t) {
    { t.area() } -> std::convertible_to<double>;
};

template<Shape T>
void draw(const T& shape) {
    std::cout << shape.area();
}

• 增强类型安全；
• 报错信息更友好；
• 接口行为清晰、可组合。

相似替代

7. 模拟虚函数：LLVM 的 classof 技巧

LLVM 不用 dynamic_cast，也极少用 virtual。它大量使用 CRTP + 自定义 RTTI（运行时类型识别）来做类型擦除和动态分派。

LLVM 避免使用虚函数，改用自定义类型标记与静态分发：

class Base {
public:
    enum Kind { RECTANGLE, CIRCLE };
    Base(Kind k) : kind(k) {}
    Kind getKind() const { return kind; }
protected:
    Kind kind;
};

class Rectangle : public Base {
public:
    Rectangle() : Base(RECTANGLE) {}
    static bool classof(const Base* b) {
        return b->getKind() == RECTANGLE;
    }
};

配合 isa<>、cast<>、dyn_cast<> 等工具模板，实现无虚表的运行时类型识别。

• 零虚表
• 自定义 RTTI
• 类型检查精细可控
• 用在 LLVM 全代码中（如 Instruction, Value, Type）

8. 手动 vtable：Boost.Dyno 风格类型擦除

想要 完全去除 virtual + 不用模板展开太多代码，还需要支持 runtime polymorphism。怎么办？

→ 模拟一个自己的 vtable

手动 vtable 核心思路：

1. 创建一个纯数据结构的“vtable”结构体（函数指针）；
2. 存储对象指针 + vtable 指针；
3. 所有操作通过函数指针调度。

struct ShapeVTable {
    double (*area)(const void*);
};

template<typename T>
constexpr ShapeVTable make_vtable() {
    return {
        [](const void* ptr) -> double {
            return static_cast<const T*>(ptr)->area();
        }
    };
}

class AnyShape {
public:
    template<typename T>
    AnyShape(T t) : ptr(new T(std::move(t))), vtbl(&make_vtable<T>()) {}
    ~AnyShape() { delete static_cast<const void*>(ptr); }

    double area() const { return vtbl->area(ptr); }

private:
    void* ptr;
    const ShapeVTable* vtbl;
};

优点：

• 手动控制开销（自定义内联/分支）
• 类型擦除支持：运行时决定行为
• 比 virtual 更灵活：可以控制是否复制、是否移动

这种方式用于标准库（如 std::function）、Boost.Dyno 或高性能框架中，提供更细粒度的控制。

总结

技术方案	是否运行时可用	是否类型擦除	使用虚函数	编译期开销	应用示例
CRTP	❌ 否	❌ 否	❌	高	STL 模板、表达式模板、数值计算
LLVM classof 技巧	✅ 是	✅ 是（自定义）	❌	中等	LLVM IR 类型系统、Clang AST
手动 vtable（如 Boost.Dyno）	✅ 是	✅ 是	❌	中等	类型擦除库、自定义插件框架
虚函数	✅ 是	✅ 是	✅	低	普通 OOP、Qt、标准库多态接口

特性	虚函数	CRTP
调用成本	较高（vtable）	极低（编译期绑定）
类型擦除	✅ 支持	❌ 不支持
容器支持	✅ 多态容器	❌ 需 variant
类型检查	运行时检查	编译期检查 + Concepts
报错可读性	一般	模板报错复杂但可控
代码维护性	易于理解	复杂，需经验

适用 CRTP：

• 类型在编译期已知；
• 性能要求高（无虚表开销）；
• 不需运行时类型擦除；
• 接口可用模板静态组合。

适用虚函数：

• 类型异构集合；
• 运行时多态；
• 调试友好、可维护性高。

CRTP 并不是虚函数的替代，而是服务于不同设计目标的技术工具。