C++ 静态多态性 (CRTP) 和使用派生类的 typedef

Posted 2023-02-18

【中文标题】C++ 静态多态性 (CRTP) 和使用派生类的 typedef

【英文标题】：C++ static polymorphism (CRTP) and using typedefs from derived classes

【发布时间】：2011-08-25 18:48:59

【问题描述】：

我阅读了Wikipedia article 关于在 C++ 中奇怪地重复出现的模板模式，用于执行静态（阅读：编译时）多态性。我想对其进行概括，以便可以根据派生类型更改函数的返回类型。 （这似乎应该是可能的，因为基类型知道模板参数的派生类型）。不幸的是，以下代码无法使用 MSVC 2010 编译（我现在无法轻松访问 gcc，所以我还没有尝试过）。有人知道为什么吗？

template <typename derived_t>
class base 
public:
    typedef typename derived_t::value_type value_type;
    value_type foo() 
        return static_cast<derived_t*>(this)->foo();
    
;

template <typename T>
class derived : public base<derived<T> > 
public:
    typedef T value_type;
    value_type foo() 
        return T(); //return some T object (assumes T is default constructable)
    
;

int main() 
    derived<int> a;

顺便说一句，我有一个使用额外模板参数的解决方法，但我不喜欢它——当将许多类型传递到继承链上时它会变得非常冗长。

template <typename derived_t, typename value_type>
class base  ... ;

template <typename T>
class derived : public base<derived<T>,T>  ... ;

编辑：

MSVC 2010 在这种情况下给出的错误消息是error C2039: 'value_type' : is not a member of 'derived<T>'

g++ 4.1.2（通过codepad.org）说error: no type named 'value_type' in 'class derived<int>'

【问题讨论】：

请注意，codepad.org 可以为您编译和运行代码，我相信它使用 gcc/g++。所以你永远不会脱离 g++ :)

您能补充一下您遇到的错误，以便我对读者有用。

@Seth：Ideone 肯定使用 gcc，所以它是另一个 :)

@Seth：感谢关于 codepad.org 的提示！ @Sriram：好电话。我添加了它们。

【参考方案1】：

当您将derived 用作其基类列表中base 的模板参数时，它是不完整的。

一种常见的解决方法是使用特征类模板。这是你的例子，特征化。这显示了如何通过特征使用派生类中的类型和函数。

// Declare a base_traits traits class template:
template <typename derived_t> 
struct base_traits;

// Define the base class that uses the traits:
template <typename derived_t> 
struct base  
    typedef typename base_traits<derived_t>::value_type value_type;
    value_type base_foo() 
        return base_traits<derived_t>::call_foo(static_cast<derived_t*>(this));
    
;

// Define the derived class; it can use the traits too:
template <typename T>
struct derived : base<derived<T> >  
    typedef typename base_traits<derived>::value_type value_type;

    value_type derived_foo()  
        return value_type(); 
    
;

// Declare and define a base_traits specialization for derived:
template <typename T> 
struct base_traits<derived<T> > 
    typedef T value_type;

    static value_type call_foo(derived<T>* x)  
        return x->derived_foo(); 
    
;

您只需将base_traits 专门用于您用于base 的模板参数derived_t 的任何类型，并确保每个专门化提供base 所需的所有成员。

【讨论】：

我创建了一个测试文件并编译了 OP 代码，并在 Ubuntu g++ 4.4.1 中放置了一个 main() 它工作正常。声明像Derived<int> 这样的对象会出错，​​我想弄清楚为什么？

@iammilind 那是因为在一个空的main() 中没有模板实例化发生。只有在编译器尝试实例化和使用模板时才会出现某些错误。

对；您必须实例化模板才能在此处出现任何错误；如果您将int main() derived<int>().base_foo(); 添加到我的特征示例的底部（这会强制实例化所有内容），它应该可以使用 Visual C++ 2010、g++ 4.5.1 和最新的 Clang 构建进行编译。

您能否详细解释一下“当您将其用作基类列表中基类的模板参数时，派生是不完整的”是什么意思。哪方面不完整？

@JamesMcNellis 和 Sriram，我感觉可能会出现混淆。稍微扁平化的版本，派生不是模板：struct derived : base<derived> ...; 确实使 base_traits 未定义。

【参考方案2】：

使用特征的一个小缺点是您必须为每个派生类声明一个。您可以像这样编写一个不那么冗长和冗余的解决方法：

template <template <typename> class Derived, typename T>
class base 
public:
    typedef T value_type;
    value_type foo() 
        return static_cast<Derived<T>*>(this)->foo();
    
;

template <typename T>
class Derived : public base<Derived, T> 
public:
    typedef T value_type;
    value_type foo() 
        return T(); //return some T object (assumes T is default constructable)
    
;

int main() 
    Derived<int> a;

【讨论】：

这里有什么特点？

这看起来很有趣，但我不是很明白，你能解释一下吗？

@BenFarmer 我们不依赖派生类型来提取基类中的 value_type，而是直接将其传递给基类。基类现在有两个模板参数。如果只有或两种类型要通过，这很实用，但如果有，这不方便。

@BaptisteWicht 实际上，您可以使用可变参数模板和元组来获得更大的灵活性。

这不是多余的，因为您不传递派生类的类型，而是将其模板作为基类的模板参数传递。 （注意可以去掉派生类中的typedef）

【参考方案3】：

在 C++14 中，您可以删除 typedef 并使用函数 auto 返回类型推导：

template <typename derived_t>
class base 
public:
    auto foo() 
        return static_cast<derived_t*>(this)->foo();
    
;

之所以有效，是因为base::foo 的返回类型的推演延迟到derived_t 完成。

【讨论】：

这种技术是否限制返回值？它是否适用于字段或函数参数？ C++17 会提供更多帮助吗？

【参考方案4】：

需要较少样板的类型特征的替代方法是将派生类嵌套在包含 typedef（或 using's）的包装类中，并将包装类作为模板参数传递给基类。

template <typename Outer>
struct base 
    using derived = typename Outer::derived;
    using value_type = typename Outer::value_type;
    value_type base_func(int x) 
        return static_cast<derived *>(this)->derived_func(x); 
    
;

// outer holds our typedefs, derived does the rest
template <typename T>
struct outer 
    using value_type = T;
    struct derived : public base<outer>  // outer is now complete
        value_type derived_func(int x)  return 5 * x; 
    ;
;

// If you want you can give it a better name
template <typename T>
using NicerName = typename outer<T>::derived;

int main() 
    NicerName<long long> obj;
    return obj.base_func(5);

【讨论】：

聪明，但这有副作用。例如，T 将无法在函数模板中推导出来，例如template<class T> f(outer<T>::derived x)（与template<class T> f(derived2<T> x) 相对。

你可以写template <class C, class T = typename C::value_type> auto f(C x)。如果您担心接受任意类型，可以将 class = std::enable_if_t< std::is_same_v< C, NicerName<T> >, int> 添加到模板参数列表中，但它会很长。

【参考方案5】：

我知道这基本上是您找到但不喜欢的解决方法，但我想记录它并说它基本上是此问题的当前解决方案。

我一直在寻找一种方法来做到这一点，但从未找到一个好的解决方案。 不可能的事实是最终，像boost::iterator_facade<Self, different_type, value_type, ...> 这样的东西需要很多参数的原因。

我们当然希望这样的东西可以工作：

template<class CRTP> 
struct incrementable
    void operator++()static_cast<CRTP&>(*this).increment();
    using ptr_type = typename CRTP::value_type*; // doesn't work, A is incomplete
;

template<class T>
struct A : incrementable<A<T>>
    void increment()
    using value_type = T;
    value_type f() constreturn value_type;
;

int main()A<double> a; ++a;

如果可能的话，派生类的所有特征都可以隐式传递给基类。我发现获得相同效果的成语是将特征完全传递给基类。

template<class CRTP, class ValueType> 
struct incrementable
    void operator++()static_cast<CRTP&>(*this).increment();
    using value_type = ValueType;
    using ptr_type = value_type*;
;

template<class T>
struct A : incrementable<A<T>, T>
    void increment()
    typename A::value_type f() constreturn typename A::value_type;
//    using value_type = typename A::value_type;
//    value_type f() constreturn value_type;
;

int main()A<double> a; ++a;

https://godbolt.org/z/2G4w7d

缺点是派生类中的特征必须使用限定的typename 或using 重新启用 访问。