什么是奇怪的重复模板模式（CRTP）？

简而言之，CRTP 是指类 A 有一个基类，它是类 A 本身的模板特化。例如

template <class T> 
class X{...};
class A : public X<A> {...};

它奇怪地反复出现，不是吗？ :)

现在，这给了你什么？这实际上使 X 模板能够成为其专业化的基类。

例如，您可以像这样制作一个通用的单例类（简化版）

template <class ActualClass> 
class Singleton
{
   public:
     static ActualClass& GetInstance()
     {
       if(p == nullptr)
         p = new ActualClass;
       return *p; 
     }

   protected:
     static ActualClass* p;
   private:
     Singleton(){}
     Singleton(Singleton const &);
     Singleton& operator = (Singleton const &); 
};
template <class T>
T* Singleton<T>::p = nullptr;

现在，为了使任意类 A 成为单例，您应该这样做

class A: public Singleton<A>
{
   //Rest of functionality for class A
};

所以你看？单例模板假定它对任何类型 X 的特化都将从 singleton<X> 继承，因此它的所有（公共的、受保护的）成员都可以访问，包括 GetInstance！ CRTP 还有其他有用的用途。例如，如果您想计算您的类当前存在的所有实例，但想将此逻辑封装在一个单独的模板中（具体类的想法非常简单 - 有一个静态变量，在 ctors 中递增，在 dtors 中递减）。尝试将其作为练习！

另一个有用的例子，对于 Boost（我不确定他们是如何实现它的，但 CRTP 也会这样做）。假设您只想为您的类提供运算符 <，但自动为它们提供运算符 ==！

你可以这样做：

template<class Derived>
class Equality
{
};

template <class Derived>
bool operator == (Equality<Derived> const& op1, Equality<Derived> const & op2)
{
    Derived const& d1 = static_cast<Derived const&>(op1);//you assume this works     
    //because you know that the dynamic type will actually be your template parameter.
    //wonderful, isn't it?
    Derived const& d2 = static_cast<Derived const&>(op2); 
    return !(d1 < d2) && !(d2 < d1);//assuming derived has operator <
}

现在你可以像这样使用它

struct Apple:public Equality<Apple> 
{
    int size;
};

bool operator < (Apple const & a1, Apple const& a2)
{
    return a1.size < a2.size;
}

现在，您还没有为 Apple 明确提供运算符 ==？但你有它！你可以写

int main()
{
    Apple a1;
    Apple a2; 

    a1.size = 10;
    a2.size = 10;
    if(a1 == a2) //the compiler won't complain! 
    {
    }
}

如果您只为 Apple 编写运算符 ==，这似乎您会写得更少，但想象一下 Equality 模板不仅会提供 ==，还会提供 >、>=、<= 等。您可以将这些定义用于多个类，重用代码！

CRTP 是一个很棒的东西 :) HTH

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在这里你可以看到一个很好的例子。如果您使用虚拟方法，程序将知道在运行时执行什么。实现 CRTP 编译器决定了编译时间！！！这是一场精彩的表演！

template <class T>
class Writer
{
  public:
    Writer()  { }
    ~Writer()  { }

    void write(const char* str) const
    {
      static_cast<const T*>(this)->writeImpl(str); //here the magic is!!!
    }
};


class FileWriter : public Writer<FileWriter>
{
  public:
    FileWriter(FILE* aFile) { mFile = aFile; }
    ~FileWriter() { fclose(mFile); }

    //here comes the implementation of the write method on the subclass
    void writeImpl(const char* str) const
    {
       fprintf(mFile, "%s\n", str);
    }

  private:
    FILE* mFile;
};


class ConsoleWriter : public Writer<ConsoleWriter>
{
  public:
    ConsoleWriter() { }
    ~ConsoleWriter() { }

    void writeImpl(const char* str) const
    {
      printf("%s\n", str);
    }
};

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CRTP 是一种实现编译时多态性的技术。这是一个非常简单的例子。在下面的示例中，ProcessFoo() 与 Base 类接口一起使用，而 Base::Foo 调用派生对象的 foo() 方法，这就是您希望使用虚拟方法执行的操作。

http://coliru.stacked-crooked.com/a/2d27f1e09d567d0e

template <typename T>
struct Base {
  void foo() {
    (static_cast<T*>(this))->foo();
  }
};

struct Derived : public Base<Derived> {
  void foo() {
    cout << "derived foo" << endl;
  }
};

struct AnotherDerived : public Base<AnotherDerived> {
  void foo() {
    cout << "AnotherDerived foo" << endl;
  }
};

template<typename T>
void ProcessFoo(Base<T>* b) {
  b->foo();
}


int main()
{
    Derived d1;
    AnotherDerived d2;
    ProcessFoo(&d1);
    ProcessFoo(&d2);
    return 0;
}

输出：

derived foo
AnotherDerived foo

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这不是一个直接的答案，而是 CRTP 如何有用的一个例子。

CRTP 的一个很好的具体示例是 C++11 中的 std::enable_shared_from_this：

[util.smartptr.enab]/1 类T可以从enable_shared_from_this继承来继承shared_from_this成员函数，该成员函数获取指向*this的shared_ptr实例。

也就是说，从 std::enable_shared_from_this 继承可以在不访问实例的情况下获得指向您的实例的共享（或弱）指针（例如，从您只知道 *this 的成员函数）。

当您需要提供 std::shared_ptr 但您只能访问 *this 时，它很有用：

struct Node;

void process_node(const std::shared_ptr<Node> &);

struct Node : std::enable_shared_from_this<Node> // CRTP
{
    std::weak_ptr<Node> parent;
    std::vector<std::shared_ptr<Node>> children;

    void add_child(std::shared_ptr<Node> child)
    {
        process_node(shared_from_this()); // Shouldn't pass `this` directly.
        child->parent = weak_from_this(); // Ditto.
        children.push_back(std::move(child));
    }
};

您不能直接传递 this 而不是 shared_from_this() 的原因是它会破坏所有权机制：

struct S
{
    std::shared_ptr<S> get_shared() const { return std::shared_ptr<S>(this); }
};

// Both shared_ptr think they're the only owner of S.
// This invokes UB (double-free).
std::shared_ptr<S> s1 = std::make_shared<S>();
std::shared_ptr<S> s2 = s1->get_shared();
assert(s2.use_count() == 1);

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正如注释：

CRTP可用于实现静态多态（类似于动态多态但没有虚函数指针表）。

#pragma once
#include <iostream>
template <typename T>
class Base
{
    public:
        void method() {
            static_cast<T*>(this)->method();
        }
};

class Derived1 : public Base<Derived1>
{
    public:
        void method() {
            std::cout << "Derived1 method" << std::endl;
        }
};


class Derived2 : public Base<Derived2>
{
    public:
        void method() {
            std::cout << "Derived2 method" << std::endl;
        }
};


#include "crtp.h"
int main()
{
    Derived1 d1;
    Derived2 d2;
    d1.method();
    d2.method();
    return 0;
}

输出将是：

Derived1 method
Derived2 method

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另一个使用 CRTP 的好例子是观察者设计模式的实现。一个小例子可以这样构建。

假设您有一个类 date，并且您有一些侦听器类，例如 date_drawer、date_reminder 等。只要日期更改发生，主题类 date（可观察）就应该通知侦听器类（观察者）这样做是为了让他们可以完成他们的工作（以某种格式绘制日期，提醒特定日期等）。您可以做的是拥有两个参数化基类 observer 和 observable，您应该从中派生出您的 date 和观察者类（在我们的例子中是 date_drawer）。对于观察者设计模式的实现，请参阅 GOF 等经典书籍。这里我们只需要强调一下CRTP的使用。让我们看看它。在我们的草稿实现中，observer 基类有一个纯虚方法，无论何时发生状态更改，observable 类都应调用该方法，让我们将此方法称为 state_changed。我们来看看这个小的抽象基类的代码。

template <typename T>
struct observer
{
    virtual void state_changed(T*, variant<string, int, bool>) = 0;
    virtual ~observer() {}
};

在这里，我们应该关注的主要参数是第一个参数 T*，它将是更改状态的对象。第二个参数将是被改变的字段，它可以是任何东西，甚至你可以省略它，这不是我们主题的问题（在这种情况下它是 3 个字段的 std::variant）。第二个基类是

template <typename T>
class observable
{
    vector<unique_ptr<observer<T>>> observers;
protected:
    void notify_observers(T* changed_obj, variant<string, int, bool> changed_state)
    {
        for (unique_ptr<observer<T>>& o : observers)
        {
            o->state_changed(changed_obj, changed_state);
        }
    }
public:
    void subscribe_observer(unique_ptr<observer<T>> o)
    {
        observers.push_back(move(o));
    }
    void unsubscribe_observer(unique_ptr<observer<T>> o)
    {

    }
};

这也是一个依赖于类型 T* 的参数类，并且与传递给 notify_observers 函数内的 state_changed 函数的对象相同。仅介绍实际的主题类date和观察者类date_drawer。 这里使用了 CRTP 模式，我们从 observable<date> 派生出 date 可观察类：class date : public observable<date>。

class date : public observable<date>
{
    string date_;
    int code;
    bool is_bank_holiday;

public:
    void set_date_properties(int code_ = 0, bool is_bank_holiday_ = false)
    {
        code = code_;
        is_bank_holiday = is_bank_holiday_;
        //...
        notify_observers(this, code);
        notify_observers(this, is_bank_holiday);
    }

    void set_date(const string& new_date, int code_ = 0, bool is_bank_holiday_ = false) 
    { 
        date_ = new_date; 
        //...
        notify_observers(this, new_date);
    }
    string get_date() const { return date_; }
};

class date_drawer : public observer<date>
{
public:
    void state_changed(date* c, variant<string, int, bool> state) override
    {
        visit([c](const auto& x) {cout << "date_drawer notified, new state is " << x << ", new date is " << c->get_date() << endl; }, state);
    }
};

让我们编写一些客户端代码：

date c;
c.subscribe_observer(make_unique<date_drawer>());
c.set_date("27.01.2022");
c.set_date_properties(7, true);

这个测试程序的输出将是。

date_drawer notified, new state is 27.01.2022, new date is 27.01.2022
date_drawer notified, new state is 7, new date is 27.01.2022
date_drawer notified, new state is 1, new date is 27.01.2022

请注意，只要发生状态更改（此处的 set_date_properties 和 set_date），就使用 CRTP 并将 this 传递给 notify notify_observers 函数。允许我们在实际 date_drawer 观察者类中覆盖 void state_changed(date* c, variant<string, int, bool> state) 纯虚函数时使用 date*，因此我们在其中有 date* c（不是 observable*），例如，我们可以调用非虚函数state_changed 函数中的 date*（在我们的例子中为 get_date）。我们可以避免使用 CRTP，因此不会参数化观察者设计模式实现，并在任何地方使用 observable 基类指针。这样我们可以得到相同的效果，但是在这种情况下，无论何时我们想要使用派生类指针（即使不是很推荐），我们都应该使用 dynamic_cast 向下转换，这会产生一些运行时开销。

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