C++：继承、模板、CRTP：谈谈C++多态设计模式

 前言：

  我举一个最简单的例子：比如现在有两个： Triangle和Circle图形，他们都是shape类型。现在我们想要统一管理这些几何形状图形。我们应该怎么做了？ 显然有两种典型的设计模式：继承和模板。

继承

   继承的实现往往是一个抽象的基类，这个基类的作用往往是提供接口，往往不会真正的去实现，比如：我们想要 Triangle 和 Circle 都有一个查询面积的接口，我们可以这样实施一个基类。

class Shape {
 
    public:
        double get_area();
}

这样就有一个统一的接口，如果我们的 Circle类和Rectangle 类， public 继承Shape类，那么他们就可以得到 Shape类的这个函数

// Circle
 
public Circle :public Shape {
 
    public:
        double get_area();
}

 这个时候，父类和子类的 get_area()都有着良好的定义，而且是可以被调用的。

一般而言，调用的是哪个函数（父类或者子类），会取决于指针是什么类型，这当然在编译期就能确定，但是你没有办法 用  shape* 类型的指针来管理 Circle 或者 Tranigle。比如：

Circle *c = new Circle();
c->get_area() ;  // 在编译期就 确定是调用 ： Citcle::get_area()
 
 
Shape *s1 = new Circle();
s1->get_area() ;   // 编译期就 确定调用： Shape::get_area() , 但是目的是想调用
 
// Circle::get_area() ，但是 指针 Shape *s1 没有管理 Circle
 
Shape *s2 = new Shape();
s2->get_area();   // 在编译期 就确定调用 ： Shape::get_area()

那怎么解决这个问题了 ？C++ 提出了 虚函数的概念

虚函数： 

•  某基类中声明为virtual并在一个或多个派生类中重新定义的成员函数叫做虚函数。
• 由于编写代码的时候并不能确定被调用的是基类的函数还是哪个派生类的函数，所以被成为“虚”函数
• 编译时看看 Shape 类有没有这个接口, 而在运行时会查虚函数表, 才决定具体调用哪个

现在我们将刚刚那个例子重新修改下：

class Shape {
 
    public:
       virtual double get_area();
};
 
 
class Circle: public Shape{
    public:
       virtual double get_area();
}
 
 
Circle *c = new Circle;
c->get_area(); // 运行时调用了 Circle::get_area()
 
Shape *s1 = new Circle;
s1->get_area(); // 运行时调用了 Circle::get_area()
 
Shape *s2 = new Shape;
s2->get_area(); // 运行时调用了 Shape::get_area()

很显然：将函数声明为虚函数之后， shape *s1指针就可以管理Circle类了，它可以直接调用：Circle::get_area()函数。（它在运行期，会查虚函数表，根据指针具体类型，决定调用那个函数）

动态多态

1.    所以有了上面的铺垫，我们就有一种设计模式：抽象类 AbstractClass ， 这个抽象类设计一大堆虚函数，然后具体类 DiscreteClass负责实现，最后使用 AbstractClass* 指针来管理具体类的对象，这是一种运行时的多态（动态多态）
2.    上面的例子，Shape* 可以指向一个 Circle 类，也可以指向一个 Rectangle 类，到时候调用->get_area()  函数时，就可以正确找到那个 get_area()函数，这就是运行时多态的良好设计。

纯虚函数

   在实践中，通常我们需要禁止抽象类的接口调用，也就是禁止调用  Shape::get_area()函数，那么为了实现这一点，我们需要把抽象类声明成 纯虚函数。这样就可以防止新建抽象类的实例，进而防止调用抽象类的函数了。纯虚函数声明 ：virtual 函数类型 函数名 （参数表列） = 0；

（1）纯虚函数没有函数体； 
（2）最后面的“=0”并不表示函数返回值为0，它只起形式上的作用，告诉编译系统“这是虚函数”； 
（3）这是一个声明语句，最后有分号。 

• 纯虚函数只有函数的名字而不具备函数的功能，不能被调用。 
• 纯虚函数的作用是在基类中为其派生类保留一个函数的名字，以便派生类根据需要对他进行定义。如果在基类中没有保留函数名字，则无法实现多态性。 
• 如果在一个类中声明了纯虚函数，在其派生类中没有对其函数进行定义，则该虚函数在派生类中仍然为纯虚函数。

// Shape.cpp
#pragma once;
class Shape
{
public:
	virtual double get_area() = 0;
};
 
 
// Circle.cpp
#include"Shape.cpp"
 
class Circle: public Shape
{
public:
	virtual double get_area() {
		return 10.00;
	}
};
 
 
// main.cpp
#include
#include"Circle.cpp"
#include"Shape.cpp"
 
int main() {
	Shape* s = new Circle();
	std::cout << s->get_area() << std::endl;
 
	Circle* c = new Circle();
	std::cout << c->get_area() << std::endl;
	return 0;
}
 
// 打印结果：
10
10
 
 

以上就是通过继承（定义虚函数）的方法来实现这个需求，但是虚函数的调用，必然又会去查虚函数表，既然涉及到查表，必然会有一定的性能开销，为此我们可以通过模板 Template来实现。 

模板：

除了通过继承关系实现多态之外，C++还提供了一种方式来实现这个需求：模板。

1: 模板特化

// 定义枚举
enum Shapename {
     CIRCLE,    //枚举默认是0
     TRIANGLE,  // 默认 1
     RECTANGLE  // 默认2
 
}
 
 
// 定义一个模板
template 
Class Shape;
 
// 模板特化
template<>
class Shape{
    // ......
 
}
 

完整代码

#include
 
enum Shapename
{
	CIRCLE,  //圆形
	TRIANGLE, //三角形
	RECTANGLE // 长方形
};
 
// 定义一个模板
template
class Shape;
 
// 特化Shape  // template<> 告诉编译器需要特化下面这个类
template<>
class Shape
{
private:
	double radius = 1;
public:
	double get_area() {
		return 3.1415926 * radius * radius;
	}
 
};
 
// 特化Shape  // template<> 告诉编译器需要特化下面这个类
template<>
class Shape
{
private:
	double a = 1, b = 2;
public:
	double get_area() {
		return a * b;
	}
};
 
// 特化Shape // template<> 告诉编译器需要特化下面这个类
template<>
class Shape
{
private:
	double a = 1, b = 2;
public:
	double get_area() {
		return a * b / 2;
	}
};
 
// 定义统一接口 
// 声明模板类型 template  , Shapename是一个类模板,sp是形参可以是任意名字
// 这样我们就搞出一个统一接口（模板函数）来处理形状面积了。
template 
// 函数的形参不能和模板的形参同名
double get_area(Shape * shape) {
	return shape->get_area();
}
 
 
int main() {
	Shape* c = new Shape;
	Shape* r = new Shape;
	Shape* t = new Shape;
	std::cout << "CIRCLE area:" << get_area(c) << std::endl;
	std::cout << "RECTANGLE area:" << get_area(r) << std::endl;
	std::cout << "TRIANGLE area:" << get_area(t) << std::endl;
	return 0;
}
 
 
// 打印结果
CIRCLE area:3.14159
RECTANGLE area:1
TRIANGLE area:2

好了，至此，我们分析完继承和模板在 C++中使用场景和应用。在大型C++项目中，一般会将继承和模板结合起来使用，从而衍生出 CRTP (curious recurring template pattern) 设计模式，并

可以用来给c++的class提供额外功能、实现静态多态等。

关于 CRTP这个介绍，我在下一篇博客进行详细的分析。

继承、模板与 CRTP —— 谈谈 C++ 多态设计模式 - 知乎