摘要：在C++中，多态是实现抽象和复用的核心机制，对于传统的多态（虚函数），我们已经在C++ 对象模型：虚函数表的底层结构与多态实现进行了讲解，其并非零成本的抽象，会带来性能的损耗。
0.引言
在C++中，多态是实现抽象和复用的核心机制，对于传统的多态（虚函数），我们已经在C++ 对象模型：虚函数表的底层结构与多态实现进行了讲解，其并非零成本的抽象，会带来性能的损耗。
为了克服这一限制，现代C++提供了基于模板的编译期解决方案。本文将深入探讨如何通过CRTP（Curiously Recurring Template Pattern，奇异递归模板模式） 实现编译期多态，在保留多态抽象能力的同时消除运行时开销，真正践行 C++“零开销抽象” 的设计哲学。
1.CRTP基本结构和实现原理
CRTP是通过模板继承来实现的静态多态技术（简单来说就是可以让父类知道子类的类型，从而达到编译期做一些事情的目的，本文主要从静态多态角度来看，其他应用后面文章再讨论），其核心思想就是让派生类作为基类的模板，形成“自引用”的继承关系，从而实现编译期的多态行为，其结构和调用方式一般如下：
{ public: // 实现具体逻辑 void interface { // 派生类的实际功能 std::cout* pBase = new Derived; pBase->interface; return 0; }子类通过继承以自身为模板参数的基类Base，基类就可以通过转换直接访问派生类的方法而无需虚函数。我们可以使用g++ -c -fdump-tree-all a.cpp来查看一下其实例化后的代码a.cpp.018t.fixup_cfg1（只截取关键信息）。2.性能测试
我们通过一个简单的代码例子来实际看一看虚函数以及CRTP的性能差异（内存就不用看了，包含虚函数的对象会多虚函数指针，主要看执行时间），代码如下：
#include #include * c_ptr = &c_obj; // CRTP多态调用 // 测试虚函数 auto start_v = std::chrono::high_resolution_clock::now; volatile int sum_v = 0; for (int i = 0; i getValue; } auto end_v = std::chrono::high_resolution_clock::now; double time_v = std::chrono::duration(end_v - start_v).count; // 测试CRTP auto start_c = std::chrono::high_resolution_clock::now; volatile int sum_c = 0; for (int i = 0; i getValue; } auto end_c = std::chrono::high_resolution_clock::now; double time_c = std::chrono::duration(end_c - start_c).count; // 输出结果 std::cout我们分析一下两者的开销，虚函数的话我们比较了解了，主要是虚函数指针的查找和调用，当然这个会缓存下来，而CRTP需要多一次普通调用和static_cast，当前测试场景比较简单，所以虚函数地址缓存不会失效，在O0优化下虚函数会更快。
如果我们开启O3优化，CRTP会优化为内联，这样的话CRTP会比虚函数快（虚函数可能存在去虚拟化，所以不明显），如果是实际场景中，虚函数调用不会这么单一且类型也不能确定，不能去虚拟化以及虚函数缓存可能失效，这种场景下，CRTP会明显快于虚函数。
如上所说，上面的测试有可能有虚函数去虚拟化的问题，我们可以使用-fno-devirtualize禁止去虚拟化，这样最能体现二者的差异。
所以，在实际场景中，我们使用CRTP正常情况下性能会大大高于虚函数。
3.CRTP实际适用场景
1）静态多态：在不需要运行时多态的场景中使用以消除虚函数的开销。
2）代码复用：通过模板继承来给派生类增加通用功能，这个在标准库中有很多应用，我们后面文章专门讨论。
3）接口约束和静态断言：可以在基类使用static_assert结合 SFINAE 技术进行编译期检查，这个需要比较高的C++支持：
#include template class ShapeCRTP { public: double area const { // 检查Derived是否有calculate_area方法 static_assert(std::is_same_v, "Derived must implement calculate_area returning double"); return static_cast(this)->calculate_area; } };4.局限性
1）不适合动态类型场景：需运行时动态创建 / 销毁不同类型对象时，动态多态更合适；
2）代码调试难度增加：模板展开可能导致复杂的错误信息，需熟悉编译器诊断工具；
3）可读性问题：对新手而言，CRTP 的自引用结构较难理解。
5.总结
本文介绍了CRTP 如何将多态绑定从运行时迁移到编译期，讲解了 C++“零开销抽象” 的核心思想 ——你不需要为未使用的特性支付成本。在性能至关重要的场景中，用 CRTP 实现的编译期多态既能保留抽象设计的灵活性，又能消除动态多态的性能损耗。
来源：走进科技生活
