Fluent C++：CRTP可以为你的代码带来什么

原文

在系列第一节中定义了CRTP的基础知识之后，现在让我们考虑一下CRTP如何在日常代码中提供帮助。

我不知道对你来说怎么样，但是最初几次我理解了CRTP的工作方式后，很快就忘记了，最后我再也记不清CRTP到底是什么了。 发生这种情况的原因是，很多关于CRTP定义的讲述就此止步，而没有向你展示CRTP可以为你的代码带来什么价值。

但是CRTP其实有几种很有用的用法。 在这里，我将介绍我在代码中最常看到的一个功能，即“添加功能”，另一个很有趣但又不经常遇到的功能：创建静态接口。

为了使代码示例更简短，我省略了第一节中的私有构造函数和模板友元技巧。 但是在实践中，你会发现这对防止将错误的类传递给CRTP模板很有用。

增加功能

有些类提供了通用功能，让许多其他类可以复用。

为了说明这一点，让我们以代表敏感度的类为例。 灵敏度是一种度量，用于量化如果给定输入要进行一定量的计算，则给定输出会受到多少影响。 这个概念与导数有关。 无论如何，如果你不（或不再）熟悉数学，请不要担心：以下内容不依赖于数学方面，该示例唯一要关注的是灵敏度有一个值。

class Sensitivity
{
public:
    double getValue() const;
    void setValue(double value);
    // 其他接口...
};

现在，我们要为此灵敏度添加辅助操作，例如缩放（将其乘以常数值），另外还有平方或将其设置为相反的值（一元减）。 我们可以在接口中添加相应的成员方法。 我意识到在这种情况下，将这些功能实现为非成员非友元函数会比较好，但是请先等一下，让我们将它们作为成员方法来实现，以说明以后的观点。 我们稍后再回来说明这一点。

class Sensitivity
{
public:
    double getValue() const;
    void setValue(double value);

    void scale(double multiplicator)
    {
        setValue(getValue() * multiplicator);
    }
    void square()
    {
        setValue(getValue() * getValue());
    }
    void setToOpposite()
    {
        scale(-1);
    };

    // 其他接口...
};

到目前为止，一切都很好。 但是，现在想象一下，我们还有另一个类，也有一个值，并且也需要上面的3个数值功能。 我们应该将这三个实现复制并粘贴到新类中吗？

到现在为止，我几乎可以听到你们中的一些人大喊使用模板非成员函数，该函数可以接受任何类并完成处理。 请稍等一下，我保证，我们等会儿会到说到这个的。

这就是CRTP发挥作用的地方。 在这里，我们可以将这三个数值函数分解为一个单独的类：

template 
struct NumericalFunctions
{
    void scale(double multiplicator);
    void square();
    void setToOpposite();
};

然后使用CRTP技术让Sensitivity来使用它：

class Sensitivity : public NumericalFunctions
{
public:
    double getValue() const;
    void setValue(double value);
    // 其他接口...
};

为此，3个数值方法的实现需要访问Sensitivity类中的getValue和setValue方法：

template 
struct NumericalFunctions
{
    void scale(double multiplicator)
    {
        T& underlying = static_cast(*this);
        underlying.setValue(underlying.getValue() * multiplicator);
    }
    void square()
    {
        T& underlying = static_cast(*this);
        underlying.setValue(underlying.getValue() * underlying.getValue());
    }
    void setToOpposite()
    {
        scale(-1);
    };
};

这样，我们通过使用CRTP将功能有效地添加到了初始Sensitivity类中。 并且可以使用相同的技术让其他类继承该类。

为什么不使用非成员模板功函数？

为什么不使用可以对其他任何类进行处理的模板非成员函数，包括Sensitivity和其他要做数值运算的类？ 它们可能如下所示：

template 
void scale(T& object, double multiplicator)
{
    object.setValue(object.getValue() * multiplicator);
}

template 
void square(T& object)
{
    object.setValue(object.getValue() * object.getValue());
}

template 
void setToOpposite(T& object)
{
    object.scale(object, -1);
}

CRTP有什么大惊小怪的？

CRTP比非成员模板函数至少有一个好处：CRTP体现了接口。

使用CRTP，你可以看到Sensitivity提供了NumericFunctions的接口：

class Sensitivity : public NumericalFunctions
{
public:
    double getValue() const;
    void setValue(double value);
    // 其他接口...
};

用非成员模板函数，你就没有了这个好处。 它们将隐藏在某个地方的#include之后。

即使你知道这3个非成员函数的存在，也无法保证它们与特定的类兼容（也许它们调用get()或getData()而不是getValue()？）。 而使用CRTP的代码在编译器已经绑定了Sensitivity类，因此你知道它们具有兼容的接口。

现在谁是你的接口？

需要注意的有趣一点是，尽管CRTP使用继承，但它的用法与其他继承情况并不具有相同的含义。

通常，派生自另一个类的类表示派生类在某种程度上在概念上是“基类”。目的是在通用代码中使用基类，并将对基类的调用重定向到派生类中的代码。

对于CRTP，情况截然不同。派生类未表达其“是”基类的事实。相反，它通过继承基类来扩展其接口，以添加更多功能。在这种情况下，可以直接使用派生类，而从不使用基类（对于CRTP的这种用法是正确的，但对于下面要讲的静态接口则不是）。

因此，基类不是接口，派生类也不是实现。相反，这是另一回事：基类使用派生的类方法（例如getValue和setValue）。从这方面讲，派生类提供了基类使用的接口。这再次说明了一个事实，即CRTP上下文中的继承可以表示与经典继承完全不同的东西。

静态接口

正如Stak Overflow中这个答案所说，CRTP的第二种用法是创建静态接口。 在这种情况下，基类确实表示接口，派生的类确实表示实现，与多态性一样。 但是，与传统多态性的不同之处在于，不涉及任何virtual，并且所有调用都在编译期间解决。

下面是它的工作原理。

让我们考虑一个对Amount进行建模的CRTP基类，它有一个getValue方法：

template 
class Amount
{
public:
    double getValue() const
    {
        return static_cast(*this).getValue();
    }
};

假设我们对此接口有两种实现：一种总是返回常量，而另一种可以设置其值。 这两个实现继承自CRTP Amount基类：

class Constant42 : public Amount
{
public:
    double getValue() const {return 42;}
};

class Variable : public Amount
{
public:
    explicit Variable(int value) : value_(value) {}
    double getValue() const {return value_;}
private:
    int value_;
};

最后，让我们为该接口构建一个客户端，该客户端需要一个amount对象并将其值打印到控制台：

template
void print(Amount const& amount)
{
    std::cout << amount.getValue() << '\n';
}

可以使用以下两种实现之一调用该函数：

Constant42 c42;
print(c42);
Variable v(43);
print(v);

然后都运行正确：

42
43

需要注意的最重要的一点是，尽管Amount类是多态使用的，但是代码中没有任何virutal。这意味着多态调用已在编译时解决，从而避免了虚函数的运行时成本。有关这种对性能的影响的更多信息，请参见Eli Bendersky在其网站上所做的研究。

从设计的角度来看，我们能够避免此处的虚拟调用，因为要使用的类的信息在编译时就确定了。就像我们在编译期提取接口的重构方法中看到的那样，当你知道信息时，为什么要等到最后一刻才使用它？

编辑：正如u/quicknir在Reddit上指出的那样，该技术不是用于静态接口的最佳方法，而且不如即将到来的Concepts(C++20新特性。球球你们了，我真的学不动了)好。确实，CRTP强制从接口继承，而Concepts也指定对类型的要求，但不将它们与特定接口耦合。这允许独立的库一起工作。

下一步：如何在实践中简化CRTP的实现（）。