熟悉模板編程的朋友或許聽到過(guò)這個(gè)技巧或者模式：Barton-Nackmann 技巧或者稱 奇異循環(huán)模板模式（Curiously Recurring Template Prattern）。
其實(shí)在 《c++ 編程語(yǔ)言》這本bible 書里，在模板那章提到過(guò)一個(gè)很奇妙的類的實(shí)現(xiàn)，用的就是這個(gè)技術(shù)。當(dāng)時(shí)，我就被C++模板技術(shù)嘆為觀止。近期在學(xué)boost庫(kù)時(shí)偶然碰到了這個(gè)技巧，同時(shí)在寫一個(gè)類時(shí)引發(fā)了我的思考，這里就利用這個(gè)技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)多態(tài)函數(shù)（我自己發(fā)明的叫法，呵呵）。
我們知道C++的多態(tài)函數(shù)會(huì)帶來(lái)很多靈活性，但是不可避免的它是有運(yùn)行時(shí)的性能損失的。 而c++的另一個(gè)強(qiáng)大特性就是模板了。模板給C++帶來(lái)了，編譯時(shí)的多態(tài)，通過(guò)模板元編程，C++可以實(shí)現(xiàn)類似C#，java的refection的特性。這里我就舉來(lái)實(shí)現(xiàn)利用模板來(lái)代替虛函數(shù)。
例子1：
#include <iostream>
using namespace std;
class common_base
{
public:
virtual void fun（）=0；
};
class common_derive:public common_base
{
public:
void fun（）
{ cout<<"in common_derive fun()"<<endl;
};
void main()
{
common_base * pb = new common_derive;
pb->fun();
}
這是一個(gè)最普通的多態(tài)例子，下面看看一個(gè)比較有意思的例子：
例子2：
template<typename T>
class class1
{
public:
class1(T t):m_val(t){}
virtual T getVal(){
cout<<"in class1,val =="<< m_val <<endl;
return m_val;
}
private:
T m_val;
};
class derived: public class1<int>
{
public:
derived(int i):class1<int>(i){}
int getVal()
{
cout<<"in derived"<<endl;
return class1<int>::getVal();
}
};
template<typename T>
class derived2: public class1<T>
{
public:
derived2(T val):class1<T>(val){}
T getVal()
{
cout<<"in derived2"<<endl;
return class1<T>::getVal();
}
};
void main()
{
class1<int> * pbase = new derived(10);
pbase->getVal();
class1<int> * pb2 = new derived2<int>(10);
pb2->getVal();
}
這個(gè)例子我的用意是說(shuō)明：模板類的虛函數(shù)多態(tài),而且派生類可以有兩種選擇，一個(gè)實(shí)現(xiàn)為普通類，繼承的是模板基類的特化類，一個(gè)就實(shí)現(xiàn)模板類（如 derived2）。很明顯模板繼承類有著普通類不可比擬的靈活性。
下面是這篇文章的重頭戲了，也是本文的目的所在。
我們看到例子1，2都采用虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，這個(gè)是一般選擇，如何用模板來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，而不是虛函數(shù)呢？
看這個(gè)例子：
template<class derive>
class base
{
public:
void print()
{
derive::print();
}
void m_print()
{
downcast()->derive::m_print();
}
protected:
inline derive * downcast()
{
return static_cast<derive *>(this);
};
inline const derive * downcast()const
{
return static_cast<const derive *>(this);
};
};
class der:public base<der>
{
public:
der(int foo):_foo(foo){}
static void print()
{
cout<<"in der print"<<endl;
};
void m_print()
{
cout<<"in der member fun m_print"<<endl;
cout<<"has member foo="<<_foo<<endl;
}
private:
int _foo;
};
template<class base>
class der2:public base
{
public:
static void print()
{
cout<<"in der2 print"<<endl;
};
void m_print()
{
cout<<"in der2 member fun m_print"<<endl;
}
};
class tmpclass
{
public:
void test()
{ cout<<"in test"<<endl;}
};
int main(int argc, char* argv[])
{
//模板實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)多態(tài)
base<der> * pb= new der(100);
pb->print();
pb->m_print();
//動(dòng)態(tài)繼承
der2<tmpclass> d2;
d2.print();
d2.m_print();
d2.test();
return 0;
}
哈哈，看class der是不是同樣實(shí)現(xiàn)了多態(tài)？？而且語(yǔ)義和虛函數(shù)一致。可以進(jìn)一步提取downcast()部分到一個(gè)基類實(shí)現(xiàn)更普遍的寫法。
后面我實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)繼承的類der2，它同樣提供了靈活的繼承用法，可惜好像因編譯器而定，在vc6環(huán)境下是不能通過(guò)編譯的，而在g++下是ok的。
下面我編寫了一個(gè)性能測(cè)試?yán)虂?lái)測(cè)試?yán)锰摂M函數(shù)實(shí)現(xiàn)多態(tài)和模板實(shí)現(xiàn)多態(tài)的性能。代碼如下
#include <iostream>
using namespace std;
#include <sys/time.h>
class common_base
{
public:
common_base(int iloop){_iloop=iloop;}
virtual void virtual_fun()=0;
void timesum_fun()
{
struct timeval begin,end;
gettimeofday(&begin, NULL);
for(int i=0;i<_iloop;i++)
virtual_fun();
gettimeofday(&end, NULL);
cout<< "using time :" << end.tv_sec-begin.tv_sec + (end.tv_usec - begin.tv_usec)/1000000.0<<" second"<<endl;
};
private:
int _iloop;
};
class common_derive:public common_base
{
public:
common_derive(int iloop):common_base(iloop){_foo=0;}
void virtual_fun()
{
++_foo;
--_foo;
}
private:
int _foo;
};
template<class derive>
class base
{
public:
base(int iloop){_iloop=iloop;}
void timesum_fun()
{
struct timeval begin,end;
gettimeofday(&begin, NULL);
for(int i=0;i<_iloop;i++)
templ_fun();
gettimeofday(&end, NULL);
cout<< "using time :" << end.tv_sec-begin.tv_sec + (end.tv_usec - begin.tv_usec)/1000000.0<<" second"<<endl;
}
inline void templ_fun()
{
downcast()->derive::templ_fun();
}
protected:
inline derive * downcast()
{
return static_cast<derive *>(this);
};
inline const derive * downcast()const
{
return static_cast<const derive *>(this);
};
private:
int _iloop;
};
class der:public base<der>
{
public:
der(int iloop):base<der>(iloop){_foo=0;}
inline void templ_fun()
{
++_foo;
--_foo;
}
private:
int _foo;
};
int main()
{
int loop=1000*1000*100;
common_base * pb = new common_derive(loop);
base<der> * ptempb= new der(loop);
for(int i =3;i-->0;)
{
cout<<"virtual function test: looptime="<<loop<<endl;
pb->timesum_fun();
cout<<"template function test: looptime="<<loop<<endl;
ptempb->timesum_fun();
}
delete pb;
delete ptempb;
return 0;
}
我編譯了兩個(gè)版本一個(gè)優(yōu)化版本一個(gè)未優(yōu)化版本，運(yùn)行測(cè)試結(jié)果讓我有點(diǎn)意外：
這是未優(yōu)化版本的，結(jié)果顯示這兩種方法不相上下，虛函數(shù)還略優(yōu)，～O～
./cmp_test
virtual function test: looptime=100000000
using time :1.03824 second
template function test: looptime=100000000
using time :1.63043 second
virtual function test: looptime=100000000
using time :1.03768 second
template function test: looptime=100000000
using time :1.62773 second
virtual function test: looptime=100000000
using time :1.63104 second
運(yùn)行優(yōu)化版本，性能優(yōu)勢(shì)一下體現(xiàn)出來(lái)了，模板實(shí)現(xiàn)是虛函數(shù)的十倍：
./cmp_test_optimize
virtual function test: looptime=100000000
using time :0.615542 second
template function test: looptime=100000000
using time :0.055584 second
virtual function test: looptime=100000000
using time :0.624778 second
template function test: looptime=100000000
using time :0.057419 second
virtual function test: looptime=100000000
using time :0.624977 second
template function test: looptime=100000000
using time :0.059442 second
有點(diǎn)驚人是不是？這個(gè)差別就是因?yàn)樘摵瘮?shù)是不可優(yōu)化和內(nèi)聯(lián)的，而模板函數(shù)是可內(nèi)聯(lián)的，這個(gè)性能差異就很大，再次隨著虛表的增大虛函數(shù)的調(diào)用是有性能退化的，而這點(diǎn)對(duì)于模板函數(shù)來(lái)說(shuō)是沒(méi)有的，因?yàn)樵诰幾g時(shí)，這一切都是靜態(tài)了。不過(guò)客觀的說(shuō)，虛函數(shù)多態(tài)是C++語(yǔ)言內(nèi)置的，在復(fù)雜度方面，應(yīng)該首選虛函數(shù)，這里提供的這個(gè)方法只是作者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的一個(gè)體會(huì)，模板的世界實(shí)在是太奇妙和高深了。