CRTP（奇异递归模板）与静态多态 / Mixin

一、CRTP 是什么

基于模板的复用技巧：派生类把自己作为基类的模板参数：

template <typename Derived>
class Base {
public:
    // 把 *this 静态转为 Derived* 再调其方法 —— 编译期多态
    void interface() { static_cast<Derived*>(this)->impl(); }
};
class Foo : public Base<Foo> {   // Derived = Foo
public:
    void impl() { /* Foo 专属实现 */ }
};

由于 Base<Foo> 与 Base<Bar> 是不同基类，Base<Foo>::interface 调用时静态就知道是 Foo::impl——无需 vtable。

二、比虚函数（动态多态）好在哪 / 代价

	虚函数多态	CRTP 静态多态
分派	运行期查 vtable	编译期静态转型
开销	指针间接跳转、难内联	零开销，可内联（常被内联掉）
灵活性	运行时才知道类型（容器放不同派生）	编译期必须确定具体类型
使用	多态运行时/接口订阅	编译期算法统一、类型已知场景

HPC/AI 内核为什么爱用？——算子不同实现（如 float/double、行主/列主、tile 尺寸）在编译期展开，无虚函数跳转、易向量化。虚函数放到每像素/每元素调用是很差的。

三、经典用途

1. 统一接口 + 编译期定制（Policy/库里常见）。
2. Mixin 给类型加能力（比较符、运算符自动生成）。

Mixin：用继承“注入”公共能力

// 给任意 T 添加 operator==（比较其数据）
template <typename Derived> struct EqualityComparable {
    friend bool operator==(const Derived& a, const Derived& b){
        return a.v_ == b.v_;   // 假设 v_ 存在——CRTP + friend
    }
};
struct Point : EqualityComparable<Point> { int v_; };

（friend 模板内定义，ADL 找得到。这是「CRTP 生成运算符」范式。）

四、与 policy / policy-based 结合（Modern C++ Design）

HPC 里常把性能策略做成模板参：不是「继承子类 override」，而是「传 policy 模板参」：

template <typename Scalar, size_t BLK, typename Storage = RowMajor>
class GemmKernel {
    void run(...) { /* 用 Compile-time BLK 展开循环 */ }
};

这就是 policy-based design 的现代版本 + 模板推演出针对配置的专用 kernel。

五、常见面试题

1. Base<Derived> 会让 Derived 继承 Base<Derived> 导致递归占用过度吗？ 不会——每个实例化 Base<X> 只存在一次，Derived:public Base<Derived> 是合法的“两阶段特化引用”，不会无限实例化（因为没在语义上“用自己定义自己”）。

2. CRTP 里 static_cast<Derived*>(this) 为什么安全？ 因为模板实例化后 this 实际确实是 Derived*（Base 作为被 Derived 继承存在），是“已知派生”的静态向下转型，无虚表/多态风险（前提不把 Base<Derived> 基类转成别的）。

3. 静态多态 vs 动态多态该怎么选？ 类型编译期已知、追求零开销 → CRTP/模板；需要运行期类型集合/插件 → 虚函数接口。

4. CRTP 常用于哪些库？—— std::enable_shared_from_this<T> 本身即 CRTP(继承自 enable_shared_from_this 且其 API 需 T)；range-v3、Eigen 大量在用（表达式模板其实也是广义静态多态）。

六、一句话记忆

CRTP = 派生类把自己类型交给基类，基类借此在编译期“知道”子类并零开销回调——把动态分派换成编译器内联的静态调用。