CRTP静态多态

一、动态多态

  • 动态多态通过虚函数和继承关系来实现,执行动态绑定,在通过基类的指针或者引用调用虚函数运行时确定。
#include <iostream>
#include <cmath>

class Shape {
public:
    virtual double computeArea() const = 0;  // 纯虚函数
    virtual ~Shape() = default;  // 虚析构函数
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double radius) : radius(radius) {}

    double computeArea() const override {
        double area = M_PI * radius * radius;
        return area;
    }

private:
    double radius;
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double width, double height) : width(width), height(height) {}
    
    double computeArea() const override {
        double area = width * height;
        return area;
    }

private:
    double width, height;
};

int main() {
    Shape* circle = new Circle(5.0);
    // 输出:Circle area: 78.5398
    std::cout << "Circle area: " << circle->computeArea() << std::endl;
    Shape* rectangle = new Rectangle(4.0, 6.0);
    // 输出:Rectangle area: 24
    std::cout << "Rectangle area: " << rectangle->computeArea() << std::endl;

    delete circle;
    delete rectangle;
    return 0;
}

二、CRTP静态多态

1、CRTP多态简介

  • CRTP(Curiously Recurring Template Pattern,奇异递归模板模式)是C++的一种设计模式,特点是利用模板和继承,在基类关联派生类模板参数,来实现静态多态性,不需要使用虚函数实现多态特性。

2、定义基类

  • 定义一个模板基类Shape,接收一个派生类作为模板参数。
#include <iostream>
#include <cmath>

template <typename Derived>
class Shape {
public:
    double area() {
        return static_cast<Derived*>(this)->computeArea();
    }
};
  • Shape基类中,area方法内部调用了派生类的computeArea方法,用static_cast可以确保在编译时进行类型检查。

3、定义派生类

  • 定义两个派生类Circle和Rectangle。
class Circle : public Shape<Circle> {
public:
    Circle(double radius) : radius(radius) {}

    double computeArea() {
        double area = M_PI * radius * radius;
        return area;
    }

private:
    double radius;
};

class Rectangle : public Shape<Rectangle> {
public:
    Rectangle(double width, double height) : width(width), height(height) {}

    double computeArea() {
        double area = width * height;
        return area;
    }

private:
    double width, height;
};
  • 每个派生类必须实现computeArea方法。

4、CRTP使用

int main() {
    Circle circle(5.0);
    // 输出:Circle area: 78.5398
    std::cout << "Circle area: " << circle.area() << std::endl;
    Rectangle rectangle(4.0, 6.0);
    // 输出:Rectangle area: 24
    std::cout << "Rectangle area: " << rectangle.area() << std::endl;
    return 0;
}
  • 创建实例,计算面积。
多态特性虚函数CRTP
多态性运行时多态静态多态
性能开销虚函数表开销无虚函数表开销
类型安全运行时检查编译时检查
代码维护容易可能更复杂,编译时间较长
使用场景需要灵活性(比如定义域实现分离)和动态性性能敏感和静态多态的场景
<think>好的,我现在需要回答用户关于C++静态多态和动态多态的特性及差异的问题。首先,我得回忆一下静态多态和动态多态的基本概念。静态多态通常指的是在编译时确定函数调用的具体实现,比如函数重载和模板。动态多态则是在运行时通过虚函数和继承来实现的。 用户提供的引用资料里有几个关键点。引用[1]提到静态多态和动态多态通过不同机制实现代码灵活性。引用[3]指出动态多态需要继承、方法覆盖和基类引用指向派生类实例。引用[4]详细说明了虚函数的使用限制,比如构造函数不能是虚函数静态函数也不能是虚函数。这些信息都是需要整合到回答中的。 我需要先明确两者的定义,然后分别列出它们的实现方式、核心特点、使用场景以及优缺点。比如静态多态包括函数重载和模板,而动态多态依赖于虚函数和继承。在特性比较部分,要区分编译时和运行时、性能差异、灵活性等方面。 还要注意回答的结构是否清晰,是否分点说明,帮助用户逐步理解。同时,确保使用正确的中文表达,避免技术术语错误。另外,用户可能对某些细节不太清楚,比如为什么构造函数不能是虚函数,或者静态多态如何通过模板实现,这些可能需要简要解释。 最后,生成相关问题时要围绕主题,比如实现机制、优缺点比较、设计选择等。需要确保问题有针对性,能引导用户进一步学习。 现在需要检查是否遗漏了重要信息,比如引用[4]提到的虚析构函数的重要性,应该在动态多态部分强调。同时,静态多态中的CRTP(奇异递归模板模式)可能是一个进阶点,可以提及但不过多深入。确保回答中的例子准确,比如动态多态的代码示例是否正确引用了用户提供的资料。 总结下来,回答的结构应该是:概述、静态多态详细说明、动态多态详细说明、对比表格、优缺点总结,最后是相关问题。这样用户能逐步了解两者的区别和应用场景。</think>### C++静态多态与动态多态的特性及差异 #### 一、静态多态(编译时多态) **定义**:通过编译时确定的机制实现多态,无需运行时类型信息。 **实现方式**: 1. **函数重载**:同名函数根据参数列表区分,例如: ```cpp void print(int x) { ... } void print(double x) { ... } ``` 2. **模板编程**:泛型编程通过模板参数推导实现,例如: ```cpp template <typename T> T add(T a, T b) { return a + b; } ``` 3. **运算符重载**:如 `operator+` 定义不同数据类型的加法行为。 **核心特点**: - 编译时绑定,性能高效(无运行时开销) - 灵活性受限于模板实例化和重载规则 - 不支持运行时类型动态选择 **典型应用场景**: - 标准库容器(如 `std::vector<T>`) - 算法泛化(如 `std::sort`) --- #### 二、动态多态(运行时多态) **定义**:通过虚函数和继承机制,在运行时确定具体调用的函数。 **实现条件**: 1. 继承关系 2. 虚函数覆盖(`virtual` 关键字) 3. 基类指针或引用指向派生类对象 **代码示例**: ```cpp class Shape { public: virtual double calcArea() { return 0; } // 虚函数 virtual ~Shape() {} // 虚析构函数[^4] }; class Circle : public Shape { public: double calcArea() override { ... } // 覆盖基类方法 }; // 使用 Shape* shape = new Circle(); shape->calcArea(); // 运行时调用Circle的calcArea ``` **核心特点**: - 运行时绑定,通过虚函数表(vtable)实现 - 支持接口抽象和扩展 - 性能开销(虚表查找、无法内联优化) **典型应用场景**: - 框架设计(如GUI事件处理) - 插件系统或模块化架构 --- #### 三、核心差异对比 | **维度** | **静态多态** | **动态多态** | |----------------|---------------------------|---------------------------| | **绑定时机** | 编译时 | 运行时 | | **实现机制** | 模板、函数重载 | 虚函数、继承 | | **性能** | 高效(无额外开销) | 较低(虚表查找开销) | | **灵活性** | 受限于编译时类型推导 | 支持运行时类型动态选择 | | **适用场景** | 泛型编程、高性能计算 | 接口抽象、系统扩展 | --- #### 四、设计选择建议 1. **选择静态多态**: - 需要极致性能(如数值计算) - 类型行为在编译时可确定 - 使用模板元编程优化代码复用 2. **选择动态多态**: - 需要运行时动态扩展(如插件机制) - 设计抽象接口降低模块耦合度 - 处理异构对象集合(如多种图形渲染) ---
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