C++模板方法模式如何应用CRTP技术静态多态替代虚函数开销-C++-PHP中文网

C++模板方法模式如何应用CRTP技术静态多态替代虚函数开销

P粉602998670

发布： 2025-08-18 15:08:02

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模板方法模式结合crtp可替代虚函数实现静态多态。1. 定义基类模板，在编译期通过static_cast调用派生类实现的方法，避免虚函数运行时开销；2. 派生类继承基类模板并实现具体逻辑，如circle类实现drawimpl；3. 相比虚函数，crtp无虚表指针和动态绑定，提升性能且易被内联优化；4. 适用场景为编译期确定类型、性能敏感的系统，如嵌入式或高性能计算。

C++模板方法模式如何应用CRTP技术静态多态替代虚函数开销

在C++中，模板方法模式结合CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）技术，可以实现静态多态，从而避免虚函数带来的运行时开销。这种做法在一些对性能敏感的场景下非常实用，比如嵌入式系统或高性能计算。

下面我们就从几个角度来看看如何用CRTP来替代传统的虚函数方式，实现模板方法模式。

什么是模板方法模式 + CRTP？

模板方法模式的核心思想是：在一个基类中定义算法的骨架，而将某些步骤延迟到子类中实现。传统做法是使用虚函数，但虚函数有运行时开销（虚表查找、动态绑定等）。

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CRTP 是一种“奇怪但有效的”模板技巧，它让基类成为模板类，并以派生类作为模板参数传入自己：

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

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这样做的好处是：编译器可以在编译期确定调用哪个

step()

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，无需虚函数机制。

如何用CRTP实现模板方法模式？

假设我们要实现一个绘图组件，不同图形有不同的绘制逻辑，但整体流程一致。

步骤一：定义基类模板

template <typename Derived>
class ShapeBase {
public:
    void draw() {
        preDraw();          // 固定步骤
        static_cast<Derived*>(this)->drawImpl();  // 可变步骤
        postDraw();         // 固定步骤
    }

private:
    void preDraw() { cout << "Setting up context..." << endl; }
    void postDraw() { cout << "Cleaning up..." << endl; }
};

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步骤二：定义具体子类

class Circle : public ShapeBase<Circle> {
public:
    void drawImpl() { cout << "Drawing circle" << endl; }
};

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这样，每个具体的形状都继承自

ShapeBase<具体类型>

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，并实现自己的

drawImpl()

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方法。

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为什么这样能替代虚函数？

通常我们会这么写：

class Shape {
public:
    virtual void drawImpl() = 0;
    void draw() {
        preDraw();
        drawImpl();   // 动态绑定
        postDraw();
    }
};

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但这样做会引入虚函数机制，带来以下问题：