Why C++ CRTP?

Published: at 12:00 AM

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Introduction

  我在加入 ClapDB 之后做的第一个项目去为一个开源的 encoding 项目添加功能来满足我们自己的需求。 这个最初的项目就是 chronoxor/FastBinaryEncoding （后来陆陆续续又加了很多其他的功能，做了很多的修改，成了另外一个项目 clapdb/FBE，这是后话了）。 这个项目是一个基于 template 技术去实现的 encoding。我当时要做的是添加上循环引用的功能。 用过 c++ template 的都知道，template 的 T 是不允许使用 incomplete type 的。所以在 template 之上是没有办法去实现的。 后来我的做法就是重新实现了一版，使用的是基于指针的技术。也就是多态，即父类指针指向子类对象。

  后来在工作中，接触到了 CRTP 这个技术。第一眼看到 CRTP 的时候就很好奇，为什么有两种不同的多态技术？

实现多态的两种方式

  在 C++ 中，实现多态有两种方式：

CRTP aka Curiously Recurring Template Pattern

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/crtp

  中文名字我觉得很拗口，叫作奇异递归模板模式，一开始我以为是数学家搞出来的，完全不之所云。 。和基于指针的多态不同，CRTP 是一种静态多态。它通过模板参数来实现多态，而不是通过虚函数。其实就是把派生类作为基类的模板参数。

动态多态的问题是什么？性能。

  1. 虚函数表的查找是有开销的。
  2. virtual methods 无法被 inline
  3. Additional pointer per object (8 bytes per object)

  CRTP 是一种静态多态，它通过模板参数来实现多态（模板是预处理技术），而不是通过虚函数。 CRTP的优点正式因为其是基于模板的，可以在预编译的时候展开。compiler 可以进行 inline functions 的优化。 从而实现 static dispatch（性能显著好于 virtual calls）。在内存上也会没有了 8 bytes 的指针。

  凡事都有两面，CRTP 的缺点也很明显：

  1. 不能做运行时动态绑定
  2. 大量使用 template 会导致代码难以阅读（见仁见智）
  3. 让生成代码变得庞大、臃肿。

  还有一个缺是和性能无关的。就是它会让添加新的功能变得复杂。这一条是我在实际使用中遇到的。 本来想限制一个 class 变臃肿，结果 CRTP 却让自己很难去添加新的功能。

  因为有实实在在的性能收益，所以 CRTP 并非纯炫技的技术。

How to CRTP

template <class T>
struct Base
{
    void interface()
    {
        // ...
        static_cast<T*>(this)->implementation();
        // ...
    }

    static void static_func()
    {
        // ...
        T::static_sub_func();
        // ...
    }
};

struct Derived : Base<Derived>
{
    void implementation()；

    static void static_sub_func();
};

CRTP + Abstract class

  Derived 除了继承 Base<Derived> 之外，还可以继承一个Abstract Class用来做 Interface。