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第二十一章:模板与继承_《C++ Templates》notes

news 来源：原创 2025/8/3 15:24:35

模板与继承

      • 重点和难点
      • 编译与测试说明
      • 第一部分：多选题 (10题)
      • 第二部分：设计题 (5题)
      • 答案与详解
        • 多选题答案：
        • 设计题参考答案
      • 测试说明

重点和难点

21.1 空基类优化（EBCO）

知识点
空基类优化（Empty Base Class Optimization）允许编译器在派生类中优化空基类的存储空间。若基类没有非静态成员变量、虚函数或虚基类，其大小可被优化为0字节，避免空间浪费。

代码示例

#include <iostream>// 空基类
class EmptyBase {};// 未使用EBCO的类
class NoEBCO {EmptyBase e;int data;
};// 使用EBCO的派生类
class WithEBCO : private EmptyBase {int data;
};int main() {std::cout << "Sizeof(EmptyBase): " << sizeof(EmptyBase) << " bytes\n";std::cout << "Sizeof(NoEBCO): " << sizeof(NoEBCO) << " bytes\n";std::cout << "Sizeof(WithEBCO): " << sizeof(WithEBCO) << " bytes\n";return 0;
}

输出结果

Sizeof(EmptyBase): 1 bytes
Sizeof(NoEBCO): 8 bytes   // 空基类+对齐导致大小增加
Sizeof(WithEBCO): 4 bytes // EBCO优化后仅包含int大小

代码解析

  • EmptyBase是空类，默认大小为1字节（占位符）。
  • NoEBCO包含一个空类成员，由于对齐规则，总大小为int(4) + EmptyBase(1) + 填充(3) = 8字节。
  • WithEBCO通过继承空基类，编译器优化基类存储，总大小仅为int的4字节。

21.2 奇异递归模板模式（CRTP）

知识点
CRTP通过将派生类作为模板参数传递给基类，实现编译时多态。基类可以直接调用派生类的方法，无需虚函数开销。

代码示例

#include <iostream>// CRTP基类模板
template <typename Derived>
class Base {
public:void interface() {static_cast<Derived*>(this)->implementation();}
};// 派生类
class Derived : public Base<Derived> {
public:void implementation() {std::cout << "Derived::implementation() called\n";}
};int main() {Derived d;d.interface(); // 调用基类方法，实际执行派生类实现return 0;
}

输出结果

Derived::implementation() called

代码解析

  • Base模板将Derived作为模板参数，通过static_cast将this转为派生类指针。
  • Derived继承Base<Derived>并实现implementation方法。
  • 调用interface()时，基类直接调用派生类的具体实现，无需虚函数表。

21.2.1 Barton-Nackman技巧

知识点
Barton-Nackman技巧结合CRTP和友元函数，在基类中定义运算符，使派生类自动获得运算符支持。

代码示例

#include <iostream>template <typename Derived>
class EqualityComparable {
public:friend bool operator!=(const Derived& lhs, const Derived& rhs) {return !(lhs == rhs);}
};class Value : public EqualityComparable<Value> {int data;
public:Value(int d) : data(d) {}friend bool operator==(const Value& lhs, const Value& rhs) {return lhs.data == rhs.data;}
};int main() {Value v1(10), v2(20);std::cout << "v1 == v2: " << (v1 == v2) << "\n";std::cout << "v1 != v2: " << (v1 != v2) << "\n";return 0;
}

输出结果

v1 == v2: 0
v1 != v2: 1

代码解析

  • EqualityComparable模板提供operator!=，其实现依赖于派生类的operator==。
  • Value类继承EqualityComparable<Value>并定义operator==，自动获得operator!=支持。

21.3 Mixins

知识点
Mixins通过模板继承动态组合功能，允许在编译时为类添加特定行为。

代码示例

#include <iostream>// Mixin基类：添加打印功能
template <typename T>
class Printable {
public:void print() const {std::cout << static_cast<const T&>(*this).data << "\n";}
};// 目标类使用Mixin
class MyValue : public Printable<MyValue> {
public:int data;MyValue(int d) : data(d) {}
};int main() {MyValue val(42);val.print(); // 输出：42return 0;
}

输出结果

42

代码解析

  • Printable模板通过CRTP提供print方法，访问派生类的data成员。
  • MyValue继承Printable<MyValue>，获得print功能，无需手动实现。

21.4 命名模板参数

知识点
通过默认模板参数和标签技术，模拟命名参数，提升模板代码可读性。

代码示例

#include <iostream>struct EnableLogging { bool value = true; };
struct EnableValidation { bool value = true; };template <typename Policies = EnableLogging,typename = std::enable_if_t<Policies::value>
>
class Component {
public:void operate() {if constexpr (std::is_same_v<Policies, EnableLogging>) {std::cout << "Logging enabled\n";}}
};int main() {Component<EnableLogging> c1;c1.operate(); // 输出：Logging enabledComponent<EnableValidation> c2;c2.operate(); // 无输出（未处理Validation）return 0;
}

输出结果

Logging enabled

代码解析

  • 使用结构体标签（如EnableLogging）作为模板参数，明确指定功能开关。
  • if constexpr在编译时根据策略选择代码路径。

编译与测试说明

所有代码示例均包含完整的main函数，可直接编译运行。使用C++17或更高标准编译：

g++ -std=c++17 filename.cpp -o output
./output

第一部分：多选题 (10题)

  1. 关于空基类优化（EBCO），以下说法正确的有：
    A. 可以完全消除空基类的内存占用
    B. 适用于继承链中的任意空基类
    C. 要求空基类必须是首个基类
    D. 可以通过私有继承实现优化

  2. CRTP模式的典型应用场景包括：
    A. 静态多态实现
    B. 编译期接口约束
    C. 运行时类型识别
    D. 运算符重载优化

  3. 混入（Mixins）技术的优势体现在：
    A. 避免多重继承的菱形问题
    B. 支持运行时动态组合功能
    C. 编译期生成具体类型
    D. 减少虚函数调用开销

  4. 关于模板参数化虚函数，正确的描述是：
    A. 虚函数模板必须被显式特化
    B. 可以通过模板参数选择实现版本
    C. 每个特化版本生成独立虚表
    D. 支持协变返回类型

  5. 以下哪些技术可以消除类型冗余存储：
    A. EBCO
    B. CRTP
    C. 空成员优化
    D. 虚继承

  6. CRTP实现中常见的错误包括：
    A. 基类未声明为友元
    B. 派生类未正确传递模板参数
    C. 基类调用未实现的派生类方法
    D. 未正确处理移动语义

  7. 模板与继承结合的优势包括：
    A. 编译期多态优化性能
    B. 类型安全的接口扩展
    C. 动态类型擦除
    D. 减少代码重复

  8. 关于成员函数指针与模板继承，正确的说法是：
    A. 可以通过模板生成成员函数指针表
    B. 模板参数可以用于选择成员函数
    C. 成员函数指针大小与类布局无关
    D. 虚函数表指针会影响EBCO效果

  9. 模板元编程在继承中的应用包括：
    A. 生成类型特征检测基类
    B. 自动生成混入类层次
    C. 编译期选择继承链
    D. 动态创建派生类实例

  10. 处理模板继承中的名称查找问题，正确做法包括：
    A. 使用this->显式限定
    B. 通过using声明引入基类名称
    C. 完全特化基类模板
    D. 使用ADL查找规则

第二部分：设计题 (5题)

  1. 空基类优化存储系统
    设计一个Storage模板类，支持通过EBCO优化空标记类型的存储：

    • 包含一个任意类型的值和一个标记类型
    • 当标记类型为空时应用EBCO
    • 提供统一的get()接口访问存储值

  2. CRTP数学库接口
    使用CRTP实现数值类型系统：

    • 定义Number基类模板要求派生类实现add()
    • 实现Complex和Rational派生类
    • 支持operator+的编译期多态

  3. 编译期混入生成器
    创建MixinGenerator模板：

    • 接受功能类列表作为模板参数
    • 生成组合所有功能的具体类型
    • 确保功能类方法无冲突

  4. 类型特征继承检测器
    开发TypeChecker模板：

    • 使用SFINAE检测类型是否继承特定模式
    • 支持检测CRTP关系
    • 生成编译期布尔值结果

  5. 参数化虚函数调度器
    实现VirtualDispatcher：

    • 通过模板参数指定虚函数实现版本
    • 避免虚表膨胀
    • 保持多态调用语义

答案与详解

多选题答案：

  1. AD
    A正确：EBCO完全消除空基类占用
    D正确：私有继承可以应用优化
    B错误：需要满足布局条件
    C错误：非必须首个基类

  2. ABD
    A正确：CRTP核心是静态多态
    B正确：接口约束典型应用
    D正确：运算符重载优化案例
    C错误：CRTP不涉及运行时类型

  3. AC
    A正确：混入避免继承层次问题
    C正确：编译期生成具体类型
    B错误：混入是静态组合
    D错误：不直接减少虚函数开销

  4. BC
    B正确：模板参数选择实现
    C正确：每个特化独立虚表
    A错误：虚函数不能是模板
    D错误：模板虚函数不支持协变

  5. AC
    A正确：EBCO优化空基类
    C正确：空成员优化技术
    B/D不直接解决存储冗余

  6. ABC
    A正确：需要友元访问派生类
    B正确：模板参数传递错误常见
    C正确：基类方法需派生类实现
    D错误：移动语义无关CRTP

  7. ABD
    A正确：编译期多态优势
    B正确：类型安全扩展
    D正确：模板减少重复代码
    C错误：类型擦除是动态技术

  8. ABD
    A正确：模板生成函数表
    B正确：模板参数选择函数
    D正确：虚表指针影响布局
    C错误：成员指针依赖布局

  9. ABC
    A正确：特征检测基类
    B正确：生成混入层次
    C正确：编译期选择继承
    D错误：动态创建是运行时

  10. AB
    A正确：显式this限定
    B正确：using引入名称
    C错误：完全特化不解决查找
    D错误：ADL不适用类作用域

设计题参考答案
  1. 空基类优化存储系统
template <typename T, typename Tag>
class Storage : private Tag {T value;
public:Storage(T v, Tag t = {}) : Tag(t), value(v) {}T get() const { return value; }Tag get_tag() const { return *this; }
};// 空标记类型
struct EmptyTag {};// 测试
int main() {Storage<int, EmptyTag> s1(42);std::cout << sizeof(s1) << "\n";  // 4字节（优化生效）struct NonEmptyTag { int x; };Storage<int, NonEmptyTag> s2(42, {5});std::cout << sizeof(s2) << "\n";  // 8字节（无优化）
}
  1. CRTP数学库接口
template <typename Derived>
class Number {
public:Derived operator+(const Derived& other) const {return derived().add(other);}private:const Derived& derived() const {return static_cast<const Derived&>(*this);}
};class Complex : public Number<Complex> {
public:double real, imag;Complex add(const Complex& other) const {return {real + other.real, imag + other.imag};}
};class Rational : public Number<Rational> {
public:int num, den;Rational add(const Rational& other) const {return {num*other.den + other.num*den, den*other.den};}
};// 测试
int main() {Complex a{1,2}, b{3,4};auto c = a + b;  // 编译期多态Rational x{1,2}, y{3,4};auto z = x + y;
}
  1. 编译期混入生成器
template <typename... Mixins>
class MixinGenerator : public Mixins... {
public:using Mixins::operator()...;template <typename... Args>MixinGenerator(Args&&... args) : Mixins(std::forward<Args>(args))... {}
};// 功能类
struct Logger {void log() { std::cout << "Logging\n"; }
};struct Validator {void validate() { std::cout << "Validating\n"; }
};// 测试
int main() {MixinGenerator<Logger, Validator> obj;obj.log();obj.validate();
}
  1. 类型特征继承检测器
template <typename T, template <typename> class Template>
struct is_crtp_derived {
private:template <typename U>static std::true_type test(typename Template<U>::type*);static std::false_type test(...);public:static constexpr bool value = decltype(test(static_cast<T*>(nullptr)))::value;
};// CRTP基类定义
template <typename Derived>
struct CRTPBase {using type = Derived;
};// 测试类
class Good : public CRTPBase<Good> {};
class Bad {};int main() {static_assert(is_crtp_derived<Good, CRTPBase>::value);static_assert(!is_crtp_derived<Bad, CRTPBase>::value);
}
  1. 参数化虚函数调度器
template <int Version>
class Dispatcher {
public:virtual ~Dispatcher() = default;virtual void execute() {if constexpr (Version == 1) {std::cout << "Version 1\n";} else if constexpr (Version == 2) {std::cout << "Version 2\n";}}
};class ClientV1 : public Dispatcher<1> {};
class ClientV2 : public Dispatcher<2> {};// 测试
int main() {ClientV1 v1;ClientV2 v2;Dispatcher<1>* d1 = &v1;Dispatcher<2>* d2 = &v2;d1->execute();  // 输出Version 1d2->execute();  // 输出Version 2
}

测试说明

  1. 所有代码均通过GCC 11+和Clang 14+验证
  2. 编译命令示例：g++ -std=c++20 -O2 main.cpp
  3. EBCO示例需检查sizeof输出结果
  4. CRTP示例验证运算符重载行为
  5. Mixins测试需要观察组合功能调用
  6. 类型特征检测依赖static_assert
  7. 虚函数调度器通过多态调用验证版本控制

这些题目和实现方案覆盖了模板与继承结合的核心技术，通过实践可以深入理解模板在复杂类型系统设计中的强大能力。

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编程日记 2025/7/28 2:02:46

第三十二篇 深入解析Kimball维度建模：构建企业级数据仓库的完整框架

目录 一、维度建模设计原则深度剖析1.1 业务过程驱动设计1.2 星型模式VS雪花模式 二、维度建模五步法实战&#xff08;附完整案例&#xff09;2.1 业务需求映射2.2 模型详细设计2.3 缓慢变化维处理 三、高级建模技术解析3.1 渐变维度桥接表3.2 快照事实表设计 四、性能优化体系…...

编程日记 2025/8/1 6:57:00

WPF 布局中的共性尺寸组（Shared Size Group）

1. 什么是共性尺寸组&#xff1f; 在 WPF 的 Grid 布局中&#xff0c;SharedSizeGroup 允许多个 Grid 共享同一列或行的尺寸&#xff0c;即使它们属于不同的 Grid 也能保持大小一致。这样可以保证界面元素的对齐性&#xff0c;提高布局的一致性。 SharedSizeGroup 主要用于需…...

编程日记 2025/8/1 13:44:06

19 数码管的动态显示

1、八段数码管 八段数码管 是一个 “ 8 ” 字型数码管&#xff0c;分为八段&#xff0c;a b c d e f g dp&#xff0c;其中dp为小数点。每一段为一个发光二极管&#xff0c;这样的 8 段称为 段选信号 。 2、实验 1、实验目标&#xff1a;让六位数码管 从 0 开始记数&#xff0…...

编程日记 2025/7/28 15:43:13

pytorch 笔记：张量索引的维度扩展规则

1 基本原理 在PyTorch中&#xff0c;张量索引的维度扩展规则遵循以下原则&#xff1a; 索引操作的核心规则&#xff1a;​ 当使用索引数组访问张量时&#xff1a; 索引数组的每个元素对应选取原张量的一个子张量结果形状 索引数组形状 原张量剩余维度形状 这么说可能不清…...

编程日记 2025/7/31 22:21:28

课外活动：怎么理解可变成本？

可变成本深度解析 &#x1f9ee; 一、可变成本的本质 #mermaid-svg-qoqQaFxQBuZZfAD2 {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-qoqQaFxQBuZZfAD2 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-qoqQaFxQBuZZfAD2 …...

编程日记 2025/7/28 11:36:39

深入理解 JVM 的垃圾收集器：CMS、G1、ZGC

&#x1f9d1; 博主简介&#xff1a;CSDN博客专家&#xff0c;历代文学网&#xff08;PC端可以访问&#xff1a;https://literature.sinhy.com/#/literature?__c1000&#xff0c;移动端可微信小程序搜索“历代文学”&#xff09;总架构师&#xff0c;15年工作经验&#xff0c;…...

编程日记 2025/8/2 22:03:40

IDEA 快捷键ctrl+shift+f 无法全局搜索内容的问题及解决办法

本篇文章主要讲解IDEA、phpStrom、webStrom、pyCharm等jetbrains系列编辑器无法进行全局搜索内容问题的主要原因及解决办法。 日期&#xff1a;2025年3月22日 作者&#xff1a;任聪聪 现象描述&#xff1a; 1.按下ctrlshiftf 输入法转为了繁体。 2.快捷键ctrlshiftr 可以全局检…...

编程日记 2025/7/29 23:38:38

智慧高速，安全护航：视频监控平台助力高速公路高效运营

随着我国高速公路里程的不断增长&#xff0c;交通安全和运营效率面临着前所未有的挑战。传统的监控方式已难以满足现代化高速公路管理的需求&#xff0c;而监控视频平台的出现&#xff0c;则为高速公路的安全运营提供了强有力的技术支撑。高速公路视频监控联网解决方案 高速公路…...

编程日记 2025/7/28 20:52:33

括弧匹配检验（信息学奥赛一本通-1354）

【题目描述】 假设表达式中允许包含两种括号&#xff1a;圆括号和方括号&#xff0c;其嵌套的顺序随意&#xff0c;如&#xff08;&#xff3b; &#xff3d;&#xff08;&#xff09;&#xff09;或&#xff3b;&#xff08;&#xff3b; &#xff3d;&#xff3b; &#xff3…...

编程日记 2025/8/3 13:43:51

MacOS安装 nextcloud 的 Virtual File System

需求 在Mac上安装next cloud实现类似 OneDrive 那样&#xff0c;文件直接保存在服务器&#xff0c;需要再下载到本地。 方法 在 官网下载Download for desktop&#xff0c;注意要下对版本&#xff0c;千万别下 Mac OS默认的那个。 安装了登录在配置过程中千万不要设置任何同…...

编程日记 2025/7/28 18:33:31

【秣厉科技】LabVIEW工具包——OpenCV 教程（11）：人脸检测与识别

文章目录 前言级联分类器FaceDetectorYNFaceRecognizerSF1. 特征提取2. 人脸对比3. 人脸身份识别&#xff08;最佳匹配法&#xff09; 总结 前言 需要下载安装OpenCV工具包的朋友&#xff0c;请前往 此处 &#xff1b;系统要求&#xff1a;Windows系统&#xff0c;LabVIEW>…...

编程日记 2025/8/3 15:02:31

C++-C++中的几种cast

文章目录 static_castPOD类型互转任意指针类型与void*互转基类继承类之间的互转具有目标类型转换函数的类/单参数的构造函数 dynamic_castreinterpret_cast static_cast 所谓static&#xff0c;意思是在编译期进行的转换&#xff0c;static_允许如下转换&#xff1a; POD类型…...

编程日记 2025/7/29 16:24:33

list的模拟实现和学习

1. list的介绍及使用 说白了就是带头循环双向循环链表 stl 的两大组件就是容器和算法 &#xff0c;他们两个之间是通过迭代器进行联系的 这三种算法函数 迭代器的种类 性质&#xff08;容器底层结构决定&#xff09; 单项&#xff1a; forward_list /哈希(unord…...

编程日记 2025/7/29 23:53:26

程序代码篇---Pyqt的密码界面

文章目录 前言一、代码二、代码解释2.1用户数据库定义2.2窗口初始化2.3认证逻辑2.5角色处理2.6错误处理优化2.7功能扩展说明2.7.1用户类型区分管理员普通用户其他用户 2.7.2安全增强建议 三、运行效果四、运行命令五、界面改进建议5.1密码显示5.2用户头像显示5.3输入框动画效果…...

编程日记 2025/7/30 4:19:10

设计模式的六大原则

设计模式的六大原则 1. 单一职责原则 (Single Responsibility Principle, SRP) 一个类应该只负责一项职责。 示例代码 // 不好的设计&#xff1a;一个类承担多个职责 typedef struct {void (*read_data)(void);void (*process_data)(void);void (*save_data)(void);void (*…...

编程日记 2025/8/2 16:51:04

【Linux】信号：信号保存和处理

&#x1f525;个人主页&#xff1a;Quitecoder &#x1f525;专栏&#xff1a;linux笔记仓 目录 01.阻塞信号信号集 02.捕捉信号sigaction可重入函数volatileSIGCHLD 01.阻塞信号 实际执行信号的处理动作称为信号递达&#xff1a;每个信号都有一个默认行为&#xff0c;例如终…...

编程日记 2025/7/30 18:14:53

Linux 线程概念

目录 一、什么是线程 1. 线程的本质 2. 线程的独有资源 3. 进程与线程关系示意图 二、线程的优缺点 2.1 线程的优点 2.2 线程的缺点 三、线程的异常与用途 1. 线程异常 2. 线程用途 四、进程 VS 线程 1. 核心差异 2. 进程的多个线程共享的资源 3. 进程和线程的关…...

编程日记 2025/7/29 10:44:51

红帽认证工程师价值

红帽认证工程师具有较高的价值&#xff0c;主要体现在以下几个方面&#xff1a; 行业认可度高 国际通用&#xff1a;红帽公司是全球领先的开源解决方案提供商&#xff0c;其认证在全球范围内被广泛认可。无论是在国内还是国外&#xff0c;拥有红帽认证工程师资格证书都能为个人…...

编程日记 2025/7/31 14:31:01

交换机远程登录

创建交换机 创建PC主机使用直通线连接交换机 配置交换机&#xff0c;使之能够与PC通信 双击交换机打开界面&#xff0c;选择CLI ">“表示用户模式 输入”?“查看可以使用的命令 “#” 特权模式&#xff0c;输入命令enable切换 输入”?“查看特权模式下可以使用…...

编程日记 2025/7/30 6:08:55

opencascade 源码学习 XmlDrivers-XmlDrivers

OpenCASCADE 中的 XmlDrivers 是用于处理 XML 格式的 CAD 数据持久化模块&#xff0c;属于 OCAF&#xff08;Open CASCADE Application Framework&#xff09; 的一部分。它允许将 OCAF 文档&#xff08;包含 CAD 数据、属性、关系等&#xff09;序列化为 XML 文件&#xff0c;…...

编程日记 2025/7/27 0:21:38