C++ `CRTP` (Curiously Recurring Template Pattern) 高阶：静态多态与混入 (Mixins)

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++里一个听起来有点玄乎，但用起来贼香的技术——CRTP，也就是“古怪的循环模板模式”。但这还不够，我们要深入到CRTP的高阶玩法：静态多态和混入(Mixins)。准备好你的脑细胞，我们要起飞啦！

第一站：CRTP基础回顾——“我继承我自己”

首先，让我们快速回顾一下CRTP的基础。它的核心思想是：一个类模板继承自一个以自身为模板参数的类。就像一条贪吃蛇，吃掉了自己一部分。

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

class Derived : public Base<Derived> {
public:
  void implementation() {
    std::cout << "Derived implementation called!" << std::endl;
  }
};

int main() {
  Derived d;
  d.interface(); // 输出: Derived implementation called!
  return 0;
}

在这个例子中，Base 是基类模板，Derived 继承自 Base<Derived>。重点是，Base 知道关于 Derived 的信息，这使得我们可以在编译时进行一些有趣的操作。

CRTP的优点：

• 静态多态（编译时多态）： 所有虚函数调用都在编译时解析，避免了运行时虚函数调用的开销。
• 代码复用： 基类可以提供一些通用的实现，子类可以通过继承来复用这些实现。
• 避免虚函数表： 由于没有虚函数，因此没有虚函数表的开销，减少了内存占用。

第二站：静态多态——“快到飞起的多态”

CRTP最酷的应用之一就是实现静态多态。与运行时多态（使用虚函数）不同，静态多态在编译时就确定了要调用的函数。这就像是提前知道了答案，直接抄上去，省去了计算的时间。

让我们看一个例子。假设我们有一个形状类，我们想计算它的面积。

template <typename Derived>
class Shape {
public:
  double area() {
    return static_cast<Derived*>(this)->calculate_area();
  }
};

class Circle : public Shape<Circle> {
private:
  double radius;
public:
  Circle(double r) : radius(r) {}
  double calculate_area() {
    return 3.14159 * radius * radius;
  }
};

class Square : public Shape<Square> {
private:
  double side;
public:
  Square(double s) : side(s) {}
  double calculate_area() {
    return side * side;
  }
};

int main() {
  Circle c(5);
  Square s(4);
  std::cout << "Circle area: " << c.area() << std::endl; // 输出: Circle area: 78.5397
  std::cout << "Square area: " << s.area() << std::endl; // 输出: Square area: 16
  return 0;
}

在这个例子中，Shape 类定义了一个 area() 方法，它调用了派生类的 calculate_area() 方法。由于 Shape 是一个模板类，所以在编译时，编译器会根据派生类的类型来生成不同的 area() 方法。这样就实现了静态多态，避免了运行时虚函数调用的开销。

静态多态 vs. 运行时多态：

特性	静态多态 (CRTP)	运行时多态 (虚函数)
解析时间	编译时	运行时
性能	更快	较慢
灵活性	较低	较高
代码大小	可能更大	可能更小
适用场景	性能敏感的场景	需要运行时类型信息的场景

第三站：混入 (Mixins)——“积木式编程的乐趣”

现在，让我们进入CRTP的更高阶玩法——混入(Mixins)。混入是一种将多个类的功能组合成一个类的技术。想象一下，你正在玩乐高积木，你可以将不同的积木组合在一起，创造出各种各样的东西。

使用CRTP，我们可以实现一种静态的混入机制。这意味着我们可以将不同的功能在编译时组合到一起，而不需要使用继承或组合。

让我们看一个例子。假设我们有一些类，它们都需要支持日志记录和序列化。

template <typename Derived>
class Loggable {
public:
  void log(const std::string& message) {
    std::cout << static_cast<Derived*>(this)->get_name() << ": " << message << std::endl;
  }
};

template <typename Derived>
class Serializable {
public:
  std::string serialize() {
    return static_cast<Derived*>(this)->to_string();
  }
};

class MyClass : public Loggable<MyClass>, public Serializable<MyClass> {
private:
  std::string name;
  int value;
public:
  MyClass(const std::string& n, int v) : name(n), value(v) {}
  std::string get_name() { return name; }
  std::string to_string() { return "MyClass: " + name + ", " + std::to_string(value); }
};

int main() {
  MyClass obj("MyObject", 42);
  obj.log("Hello, world!"); // 输出: MyObject: Hello, world!
  std::cout << "Serialized: " << obj.serialize() << std::endl; // 输出: Serialized: MyClass: MyObject, 42
  return 0;
}

在这个例子中，Loggable 和 Serializable 是两个混入类。MyClass 继承了这两个混入类，从而获得了日志记录和序列化的功能。注意，MyClass 同时继承了两个模板类，这就是混入的本质。

混入的优点：

• 代码复用： 可以将通用的功能提取到混入类中，并在多个类中复用。
• 灵活性： 可以根据需要选择性地混入不同的功能。
• 避免菱形继承问题： 由于是静态混入，因此不会出现菱形继承问题。

更高级的混入技巧：控制混入顺序

有时候，混入的顺序会影响最终类的行为。例如，如果有两个混入类都定义了同名的函数，那么继承顺序就会决定哪个函数会被调用。

我们可以使用模板元编程来控制混入的顺序。例如，我们可以定义一个 MixinList 类，它可以接受任意数量的混入类，并按照指定的顺序进行混入。

template <typename... Mixins>
struct MixinList {};

template <typename Base, typename... Mixins>
struct MixinApplicator;

template <typename Base>
struct MixinApplicator<Base> {
  using result = Base;
};

template <typename Base, typename Mixin, typename... Mixins>
struct MixinApplicator<Base, Mixin, Mixins...> {
  using result = typename MixinApplicator<Mixin, Mixins...>::result;
};

template <typename Base, typename... Mixins>
using ApplyMixins = typename MixinApplicator<Base, Mixins...>::result;

// 示例
class BaseClass {};

class Mixin1 {
public:
  void foo() { std::cout << "Mixin1::foo" << std::endl; }
};

class Mixin2 {
public:
  void foo() { std::cout << "Mixin2::foo" << std::endl; }
};

using MyClassType = ApplyMixins<BaseClass, Mixin1, Mixin2>;

int main() {
  MyClassType obj;
  // 编译错误: MyClassType::foo 不明确，因为 Mixin1 和 Mixin2 都有 foo
  // obj.foo();
  return 0;
}

这个例子展示了如何使用模板元编程来定义一个 ApplyMixins 模板，它可以将多个混入类应用到一个基类上。通过控制 Mixins... 的顺序，我们可以控制混入的顺序。但是因为Mixin1和Mixin2 都有foo(),如果直接调用obj.foo() 会有编译错误，需要显示指定调用哪个混入类的foo()方法

更高级的混入技巧：使用SFINAE进行条件混入

SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error，替换失败不是错误）是C++中一个强大的特性，它可以让我们根据模板参数的类型来选择性地启用或禁用某些代码。

我们可以使用SFINAE来实现条件混入。例如，我们可以定义一个混入类，它只在某个类型满足特定条件时才会被混入。

template <typename Derived, typename Enable = void>
class ConditionalMixin {};

template <typename Derived>
class ConditionalMixin<Derived, typename std::enable_if<std::is_integral<Derived>::value>::type> {
public:
  void only_for_integrals() {
    std::cout << "This method is only available for integral types." << std::endl;
  }
};

class MyIntClass : public ConditionalMixin<MyIntClass> {};
class MyFloatClass : public ConditionalMixin<MyFloatClass> {};

int main() {
  MyIntClass int_obj;
  int_obj.only_for_integrals(); // 输出: This method is only available for integral types.

  MyFloatClass float_obj;
  // float_obj.only_for_integrals(); // 编译错误: MyFloatClass 没有 only_for_integrals 方法
  return 0;
}

在这个例子中，ConditionalMixin 混入类只在 Derived 类型是整型时才会被启用。MyIntClass 是一个整型类，因此它可以调用 only_for_integrals() 方法。MyFloatClass 是一个浮点型类，因此它不能调用 only_for_integrals() 方法。

第四站：CRTP的应用场景

CRTP和Mixins的应用场景非常广泛，以下是一些常见的例子：

• 表达式模板： 用于实现高性能的数值计算库。
• 静态策略模式： 用于在编译时选择不同的算法或策略。
• 特征类（Traits）： 用于在编译时获取类型的属性。
• AOP（面向切面编程）： 用于在不修改原有代码的情况下，添加额外的功能。

第五站：CRTP的局限性

虽然CRTP和Mixins非常强大，但它们也有一些局限性：

• 代码可读性： CRTP的代码可能比较难以理解，特别是对于初学者来说。
• 编译时间： CRTP可能会增加编译时间，特别是当模板参数非常复杂时。
• 调试难度： CRTP的代码可能会增加调试难度，因为错误信息可能比较晦涩。
• 无法实现运行时多态: 如果需要在运行时确定类型，CRTP就无能为力了。

总结

CRTP是一种强大的C++技术，它可以用于实现静态多态和混入。它可以提高代码的性能和灵活性，但同时也增加了一些复杂性。在使用CRTP时，需要权衡其优点和缺点，并选择最适合你的场景的方案。

希望今天的讲解能够帮助你更好地理解CRTP和Mixins。记住，编程就像玩乐高积木，只要你掌握了技巧，就可以创造出无限可能！

感谢各位的收听，下次再见！