CRTP 与虚函数作为接口或混合答案

【问题标题】：CRTP vs. virtual function as an interface or mixinCRTP 与虚函数作为接口或混合
【发布时间】：2023-02-02 19:30:22
【问题描述】：

我想知道如果我从不从基类调用函数（即虚拟分派），那么使用 CRTP 是否比虚拟函数多态性有任何好处？

这是示例代码。反汇编可以在https://godbolt.org/z/WYKaG5bbG找到。

struct Mixin {
  virtual void work() = 0;
};

template <typename T>
struct CRTPMixin {
  void call_work() {
    static_cast<T*>(this)->work();
  }
};

struct Parent {};
struct Child : Parent, Mixin, CRTPMixin<Child> {
  int i = 0;
  void work() override {
    i ++;
  }
};

Child child;
Mixin& mixin = child;


int main() {
  child.work();
  mixin.work();
  child.call_work();
}

我发现如果我从child或通过CRTPMixin接口调用虚函数work，反汇编代码是一样的，只有静态的call。如果我在Mixin& mixin = child 上调用该函数，则会发生虚拟分派，并且会为此操作生成更多指令。

我的问题是，如果我正在设计接口/mixin 类型的结构，我将只调用派生类，而不是基类，那么在任何情况下 CRTP 会比 virutal 函数方法受益更多吗？

谢谢！

【问题讨论】：

你的例子混合了这两个概念，你真的应该有虚拟方法或 ctrp/mixin 才能真正看到区别。所以你要么有一个从 Mixin 派生的子类，要么从 CrtpMixin 派生，而不是两者。最后，静态多态性必须产生没有虚拟调用的代码。
@PepijnKramer 通常 mixins 调用派生类的一些函数，否则这样的“mixin”可以只是普通的基类，不需要虚函数或 CRTP。
@sklott 你是对的。

标签： c++ polymorphism virtual-functions crtp static-polymorphism

【解决方案1】：

如果您总是只从派生类调用，那么 CRTP 比虚函数要好得多。直接调用函数不仅比通过虚拟分派更快，而且还允许函数内联和其他优化。

从 C++23 开始，我们可以比以前更简单地实现 CRTP。来自https://en.cppreference.com/w/cpp/language/crtp 的示例

#include <cstdio>
 
#ifndef __cpp_explicit_this_parameter // Traditional syntax
 
template <class Derived>
struct Base { void name() { (static_cast<Derived*>(this))->impl(); } };
struct D1 : public Base<D1> { void impl() { std::puts("D1::impl()"); } };
struct D2 : public Base<D2> { void impl() { std::puts("D2::impl()"); } };
 
void test()
{
    Base<D1> b1; b1.name();
    Base<D2> b2; b2.name();
    D1 d1; d1.name();
    D2 d2; d2.name();
}
 
#else // C++23 alternative syntax; https://godbolt.org/z/KbG8bq3oP
 
struct Base { void name(this auto& self) { self.impl(); } };
struct D1 : public Base { void impl() { std::puts("D1::impl()"); } };
struct D2 : public Base { void impl() { std::puts("D2::impl()"); } };
 
void test()
{
    D1 d1; d1.name();
    D2 d2; d2.name();
}
 
#endif
 
int main()
{
    test();
}

【讨论】：

感谢您的见解！如果我只从派生类调用，为什么要使用虚拟分派？从反汇编中，我看到了用于调用派生类上的虚函数和 CRTP 调用的相同指令。
如果你从对象调用，它会直接调用，但如果你使用指针或引用，它会使用虚拟调度（如果你的类没有声明final），因为你可以有派生类而编译器不知道这一点。
Base<D1> b1; b1.name();错了...

【解决方案2】：

我最近在开发项目时获得了一些经验。我在问题中给出的示例确实没有显示使用CRTP和虚函数的区别。但是，在某些情况下，虚函数无法真正匹配 CRTP 静态多态性的性能。

假设我有一个 Base，它有一个 invoke 公共 API，它的行为可以通过在派生类中实现 run 方法来修改。

代码如下所示：

#include <iostream>

using namespace std;

/* CRTP */
template<class Derived>
struct CRTPBase {
  void run() {
    static_cast<Derived *>(this)->run();
  }

  void invoke() {
    this->run();
  }
};

struct CRTPDerived : public CRTPBase<CRTPDerived> {
  void run() {
    cout << "RUN
";
  }

  void invoke() {
    this->run();
  }
};

/* virtual */
struct VirtualBase {
  virtual void run() {};

  void invoke() {
    this->run();
  }
};

struct VirtualDerived : public VirtualBase {
  void run() override {
    cout << "RUN
";
  }
};

int main() {
  CRTPDerived cd;
  cd.invoke();
  VirtualDerived vd;
  vd.invoke();
}

可在https://godbolt.org/z/rnxd9r6Kr进行拆解

在这种情况下，即使我们调用具体对象 VirtualDerived 上的方法而不是使用 VirtualBase 的指针或引用，虚拟调度仍然会发生，并且需要另外四条指令来调用 invoke 函数。在这种情况下，无法避免使用虚函数时的开销。

【讨论】：