Curiously Recurring Template Pattern(CRTP) 개념과 코드 예제 - Static polymorphism, expression template
Curiously Recurring Template Pattern
Curiously Recurring Template Pattern (CRTP)[1]는 derived 클래스를 생성할 때 base 클래스에 derived 클래스의 타입을 template argument로 넘겨주는 패턴을 의미한다. Base 클래스에서 자신을 상속받은 derived 클래스의 타입을 알고 있으면 다양한 기능을 구현할 수 있다.
CRTP는 generic programming에서의 기법이기 때문에 App 개발 코드에 직접적으로 사용되기 보다는 linear algebra, container의 구현 등 코어 라이브러리에서 많이 사용된다. CRTP 패턴은 TensorFlow의 Tensor 모듈, Eigen Tensor, Microsoft Active Template Library (ATL), Standard Template Library (STL) 구현 등에서 활용되고 있다.
CRTP 기본 형태
CRTP 단어를 한글로 바꿔보면 '신기하게 재귀하는 템플릿 패턴' 정도로 번역할 수 있다. CRTP 단어 자체에서 유추해 볼 수 있듯이 Template을 이용한 pattern인데 재귀적인 부분이 있고, 형태가 신기하게 생겼다. 어떤 점이 신기하게 생긴 것일까? 아래 코드에서 는 CRTP의 기본 형태를 보도록 하자.
// The Base Class Template
template <typename Derived>
class BaseTemplate
{
...
};
// A Derived Class
class DerivedClass : public BaseTemplate<DerivedClass>
{
...
};
// A Derived Class Template
template <typename T>
class DerivedTemplate : public BaseTemplate<DerivedTemplate<T>>{
...
};위 예시에서 DerivedClass는 BaseTemplate 탬플릿 클래스를 상속받는다. 여기서 특이한 점은 DerivedClass 가 상속받는 대상이 BaseTemplate <DerivedClass>이라는 점이다. 곱씹어 생각해 보면 오묘한 패턴이다. Derived class가 Base 클래스를 상속 받는데 base 클래스의 template argument가 derived class 자체이다.
CRTP 이용 목적
그러면 이렇게 오묘한 패턴을 왜 쓰는 것일까? base class에서 자신을 상속받는 derived class의 타입이 무엇인지 앎으로써 다양한 기능이 구현 가능하기 때문이다. Wikipedia에 CRTP 활용법에 대해 여러가지가 나와있는데 이 중 가장 주요한 목적은 static polymorphism 구현이다.
Static polymorphism을 이해하기 이전에 우선 polymorphism 개념을 짚고 넘어가자. Polymorphism이란 특정 클래스를 사용하기 위한 인터페이스는 동일하게 유지하되, 실제 작동 방식은 구현에 따라 다르게 하는 것을 의미한다. 이는 object-oriented programming 패러다임의 주요 이점 중 하나이다.
일반적으로 C++ 에서 polymorphism을 구현할 때 base 클래스에 virtual 함수를 만들고, derived 클래스에서 같은 이름과 같은 signature를 가지는 함수를 overrided 하여 내용을 구현한다. 이러한 방식을 이 문서에서는 dynamic polymorphism 이라고 부르자. Generic programming의 경우 template을 활용하여 compile time에 결정되는 타입들로 기능을 구현하는 경우가 많으므로, runtime에 결정되는 type을 활용하는 dynamic polymorphism을 사용하지 못하는 경우가 많다. CRTP를 이용하면 type 확정적인 상황 에서도 파생 클래스들의 인터페이스는 같게 하면서도 각각의 구현은 다르게 만들 수 있다.
Static Polymorphism 구현 예제
- Polymorphism 없음
- Dynamic Polymorphism (virtual 이용)
- Static Polymorphism (CRTP 이용)
void comparePolymorphism()
{
//namespace ns = nopoly;
//namespace ns = dynamicpoly;
namespace ns = CRTPstaticpoly;
...
}
int main()
{
comparePolymorphism();
...
}Base Class
Base 클래스의 코드는 아래와 같다. Constructor에서 T 타입의 데이터를 입력받아 이를 m_data에 저장해 놓는 클래스 탬플릿이다. Static polymorphism을 위해 클래스 템플릿은 derived class type을 CRTP 형태로 받기 위한 Derived 를 template parameter로 정의하고 있다.
template <typename T, typename Derived>
class BaseTemplate
{
public:
explicit BaseTemplate(const T& inData) :m_data(inData) {}
T eval() const { return derived()->eval(); }
protected:
T m_data;
private:
const Derived* derived() const { return static_cast<const Derived*>(this); }
Derived* derived() { return static_cast<Derived*>(this); }
};여기서 derived() 함수를 주목해 볼 필요가 있다. 이 함수는 this 포인터를 (const) Derived의 pointer로 casting하는 역할을 한다. 이 derived() 함수가 있기 때문에 base 클래스는 언제든지 derived 타입으로 static casting 가능하다. 즉. Derived 타입만 알고 있다면, base 클래스는 자신을 상속받은 클래스의 포인터를 접근할 수 있다. 그렇다면, Derived 타입을 어떻게 알려주는 것일까? 바로 CRTP 형태를 이용하는 것이다. 아래 Derived 클래스의 정의를 보자.
Derived Class
template<typename T>
class DerivedVanila : public BaseTemplate<T, DerivedVanila<T>>
{
public:
explicit DerivedVanila(const T& inData) :BaseTemplate<T, DerivedVanila<T>>(inData) {}
inline T eval() const { return this->m_data; }
};
template<typename T>
class DerivedSquared : public BaseTemplate<T, DerivedSquared<T>>
{
public:
explicit DerivedSquared(const T& inData) :BaseTemplate<T, DerivedSquared<T>>(inData) {}
inline T eval() const { return this->m_data * this->m_data; }
};
template<typename T>
class DerivedDouble : public BaseTemplate<T, DerivedDouble<T>>
{
public:
explicit DerivedDouble(const T& inData) :BaseTemplate<T, DerivedDouble<T>>(inData) {}
inline T eval() const { return 2 * this->m_data; }
};
template <typename T, typename Derived>
inline void showEvaluation(const BaseTemplate<T, Derived>& inobj) { std::cout << inobj.eval() <<std::endl; }클래스 사용 부분위 코드에서 derived 클래스들이 BaseTemplate 클래스를 상속받을때, derived 자신을 template argument로 입력해 준다. 이렇게 하면 derived 클래스로 객체를 생성할 때 BaseTemplate 는 Derived의 타입을 알 수있다.
실행 결과
Expression Template 예제
- BaseTemplate이 데이터를 저장하는 역할을 하지 않는다. BaseTemplate은 순수하게 interface 역할을 하고, derived 클래스들이 공통적으로 가지고 있어야 하는 함수들을 정의한다.
- DerivedVanila는 데이터를 저장하는 역할을 맡고, DerivedSquared와 DerivedDouble은 데이터를 계산하는 역할을 한다.
Base Class
template <typename T>
class DerivedVanila;
template<typename T>
class DerivedSquared;
template<typename T>
class DerivedDouble;
template <typename Derived>
class BaseTemplate
{
public:
inline auto eval() const { return derived()->eval(); }
inline DerivedSquared<Derived> calcSquare() const { return DerivedSquared<Derived>(*derived()); }
inline DerivedDouble<Derived> calcDouble() const { return DerivedDouble<Derived>(*derived()); }
private:
const Derived* derived() const { return static_cast<const Derived*>(this); }
Derived* derived() { return static_cast<Derived*>(this); }
};실행 결과 및 분석
Case 1.
double dvalue = 3.1;
ns::DerivedVanila<double> tmpdVanila(dvalue);
auto dDouble = tmpdVanila.calcDouble();
ns::showEvaluation(dDouble);실행 결과 DerivedVanila가 생성된 후 calcDouble에 의해 DerivedDouble이 생성된다. 각 Template들은 입력받은 expression을 m_InExpr라는 변수에 담고 있다. 아래 그림에서는 DerivedSquared 클래스의 m_InExpr 변수의 타입은 DerivedVanila<double> 형태이다.
모든 derived 클래스들이 compile-time에 결정되기 때문에 Visual Studio에서도 해당 타입을 확인할 수 있다.
Evaluation은 showEvaluation 함수에서 이루어 진다. 따라서 계산을 정의하는 부분인 calcDouble에서 계산이 바로 이루어지지 않고, assignment, 또는 명시적으로 eval 함수가 불리는 곳에서 계산이 이루어지게 된다. 계산은 아래와 같은 순서로 이루어지게 된다.
Case 2.
double dvalue = 3.1;
ns::DerivedVanila<double> tmpdVanila(dvalue);
auto dSqrDoubleSqr = tmpdVanila.calcSquare().calcDouble().calcSquare();
ns::showEvaluation(dSqrDoubleSqr);
References
- "Curiously Recurring Template Pattern," Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Curiously_recurring_template_pattern, (last accessed on Feb. 18, 2022)
- "CRTPExample," https://github.com/QUOPA/CRTPExample
- "Expression Template," Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Expression_templates (last accessed on Feb. 21, 2022)
- "Proxy Pattern," Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Proxy_pattern (last accessed on Feb. 21, 2022)
- "Lazy Evaluation and Aliasing" Eigen Documents, https://eigen.tuxfamily.org/dox/TopicLazyEvaluation.html (last accessed on Feb. 21, 2022)
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