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Embedded C++ for Real Systems · 16/41

CRTP 패턴 분석 — vtable 없는 정적 다형성

· Hawk · 6분 읽기

#한 줄 요약

“CRTP는 template을 통한 다형성.” — virtual 함수 없이 컴파일 타임에 dispatch를 결정합니다.

#어떤 문제를 푸는가

런타임 다형성(virtual)에는 다음과 같은 비용이 따릅니다.

  • vtable이 클래스당 4~N 바이트를 차지합니다.
  • vptr이 객체당 4 바이트를 더합니다.
  • 간접 호출이 발생해 branch prediction이 어렵고 inline이 거의 되지 않습니다.
  • 가상 함수 코드와 vtable이 코드 크기에 더해집니다.

소규모 MCU에서는 다형성 객체 수십 개만으로도 수 KB의 부담이 됩니다. 이때의 대안이 CRTP(Curiously Recurring Template Pattern)입니다.

// 전통 — virtual
class Shape {
public:
virtual ~Shape() = default;
virtual int area() const = 0;
};
class Circle : public Shape {
int r;
public:
int area() const override { return 3 * r * r; }
};
// CRTP — virtual 없이
template<typename Derived>
class Shape {
public:
int area() const {
return static_cast<const Derived*>(this)->area_impl();
}
};
class Circle : public Shape<Circle> {
int r;
public:
int area_impl() const { return 3 * r * r; }
};

CRTP의 핵심은 Shape<Circle>::area()static_cast<Circle*>로 컴파일 타임에 dispatch된다는 점입니다. virtual table 없이 다형성을 얻습니다.

#CRTP의 구조

핵심 idiom은 다음과 같습니다.

template<typename Derived>
class Base {
public:
void interface_method() {
// Derived의 method 호출
static_cast<Derived*>(this)->impl_method();
}
};
class Concrete : public Base<Concrete> { // 자신을 template 매개변수로
public:
void impl_method() {
// 실제 구현
}
};
  • Base<Derived>가 interface를 정의합니다.
  • Derived는 자신을 template 인자로 넘기며 Base<Derived>를 상속합니다.
  • Base가 static_cast로 Derived의 method를 호출합니다.

각 Concrete 인스턴스는 Base<Concrete>를 별도로 인스턴스화하며, dispatch가 컴파일 타임에 결정됩니다.

#임베디드 — Logger CRTP

template<typename Derived>
class LoggerBase {
public:
void log(const char* msg) {
derived()->log_impl(msg);
}
void log_error(const char* msg) {
derived()->log_impl("[ERROR] ");
derived()->log_impl(msg);
}
protected:
Derived* derived() {
return static_cast<Derived*>(this);
}
};
class UartLogger : public LoggerBase<UartLogger> {
public:
void log_impl(const char* msg) {
while (*msg) {
USART2->DR = *msg++;
while (!(USART2->SR & USART_SR_TC));
}
}
};
class FileLogger : public LoggerBase<FileLogger> {
public:
void log_impl(const char* msg) {
fwrite(msg, 1, strlen(msg), file_);
}
private:
FILE* file_;
};
UartLogger uart;
uart.log("hello"); // 컴파일 타임에 UartLogger::log_impl 호출

uart.log("hello")의 어셈블리는 다음과 같습니다.

# 전통 virtual
ldr r3, [r0] ; vptr 로드
ldr r3, [r3] ; vtable에서 함수 주소
blx r3 ; 간접 호출 — branch prediction 어려움
# CRTP
bl UartLogger::log_impl ; 직접 호출 — 인라인 가능

간접 호출이 제거되고 inline이 가능합니다. 함수가 작으면 완전히 인라인됩니다.

#CRTP vs virtual — 비교

호출 흐름의 차이부터 보면 다음과 같습니다. virtual은 vptr → vtable → 함수까지 두 단계의 메모리 indirection을 거치지만, CRTP는 컴파일 타임에 derived 함수로 바로 인라인됩니다.

CRTP vs virtual dispatch — indirection 단계 비교

virtualCRTP
Dispatch런타임컴파일 타임
vptr객체당 1 (4 B)없음
vtable클래스당 (N * 4 B)없음
간접 호출있음없음
Inline 가능거의 없음자주
Container 동질성OK (Shape*)제한
런타임 type 결정OK컴파일 타임만

CRTP에는 제약이 있습니다. 런타임에 type을 결정할 수 없고, 컴파일 타임에 type이 알려져 있어야 합니다.

// virtual — runtime polymorphism
std::vector<Shape*> shapes; // 다른 Shape 타입 섞임 OK
shapes.push_back(new Circle);
shapes.push_back(new Square);
for (auto* s : shapes) {
s->area(); // 각자의 area 호출
}
// CRTP — compile-time
Circle c;
Square s;
c.area(); // OK
s.area(); // OK
// 한 컨테이너에 섞기 어려움 (다른 base type)

CRTP는 컴파일 타임에 type set이 닫혀 있을 때 유리합니다.

#임베디드 — Peripheral CRTP

template<typename Derived>
class PeripheralBase {
public:
void init() {
derived()->init_impl();
}
void send(uint8_t b) {
derived()->send_impl(b);
}
void send_buffer(const uint8_t* data, size_t len) {
for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
derived()->send_impl(data[i]);
}
}
private:
Derived* derived() {
return static_cast<Derived*>(this);
}
};
class Uart2 : public PeripheralBase<Uart2> {
public:
void init_impl() { /* */ }
void send_impl(uint8_t b) {
while (!(USART2->SR & USART_SR_TXE));
USART2->DR = b;
}
};
class Spi1 : public PeripheralBase<Spi1> {
public:
void init_impl() { /* */ }
void send_impl(uint8_t b) {
SPI1->DR = b;
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE));
}
};
Uart2 uart;
uart.send_buffer(data, 100); // 인라인 가능

send_buffer의 loop 안에서 send_impl이 인라인됩니다. 데이터 복사와 UART 쓰기가 작은 loop 하나로 압축됩니다.

#CRTP로 mixin 패턴

여러 독립 기능을 조합할 때 virtual base class 대신 각 mixin을 CRTP로 구현합니다.

template<typename Derived>
struct Comparable {
bool operator!=(const Derived& other) const {
return !(static_cast<const Derived*>(this)->operator==(other));
}
bool operator>(const Derived& other) const {
return other < *static_cast<const Derived*>(this);
}
bool operator<=(const Derived& other) const {
return !(*static_cast<const Derived*>(this) > other);
}
bool operator>=(const Derived& other) const {
return !(*static_cast<const Derived*>(this) < other);
}
};
class Version : public Comparable<Version> {
public:
int major, minor, patch;
bool operator==(const Version& o) const {
return major == o.major && minor == o.minor && patch == o.patch;
}
bool operator<(const Version& o) const {
if (major != o.major) return major < o.major;
if (minor != o.minor) return minor < o.minor;
return patch < o.patch;
}
};
Version v1{1, 0, 0}, v2{1, 2, 0};
bool b = v1 < v2; // operator< — 직접 구현
bool c = v1 >= v2; // Comparable이 자동 제공 → v1 < v2 → not

Versionoperator==operator<만 구현하며, 나머지 비교 연산자는 Comparable이 자동으로 제공합니다.

C++20의 <=>(spaceship operator)가 같은 효과를 내지만, CRTP는 C++11부터 가능합니다.

#CRTP의 단점

#1. 같은 base의 다른 instantiation은 별개 type

template<typename D> struct Base {};
class A : Base<A> {};
class B : Base<B> {};
// Base<A>와 Base<B>는 다른 타입
// "Base를 받는 함수"가 자연스럽지 않음

해결책은 C++20의 concept이나 type erasure입니다.

// C++20 concept
template<typename T>
concept LoggerLike = requires(T t, const char* msg) {
t.log(msg);
};
void log_all(LoggerLike auto& logger, ...) {
// 어떤 Logger든 받음
}

#2. 컴파일 에러 메시지가 복잡함

template error의 전형적인 문제입니다. C++20 concepts가 훨씬 깔끔하게 만들어 줍니다.

#3. 런타임 type 결정이 불가능

plug-in 시스템이나 동적 객체 생성에는 virtual이 필요합니다. CRTP는 컴파일 타임에 정해진 type set만 다룹니다.

#CRTP가 잘 맞는 3가지 패턴

#1. Static interface enforcement

template<typename Derived>
class Driver {
public:
void init() {
static_assert(requires(Derived d) { d.init_impl(); },
"Derived must implement init_impl");
static_cast<Derived*>(this)->init_impl();
}
};

자식이 반드시 구현해야 하는 메서드를 컴파일 타임에 강제합니다.

#2. Code sharing without runtime cost

여러 device driver가 같은 utility를 공유하면서도 각자의 init/send/recv를 가질 때, CRTP가 공통 부분은 한 곳에, 특수 부분은 자식에 둡니다.

#3. Operator generation

비교 연산자나 arithmetic 연산자 등을 자동 생성해 boilerplate를 줄여 줍니다.

#CRTP 함정

#1. Base에서 Derived의 private member 접근

template<typename D>
class Base {
public:
void foo() {
static_cast<D*>(this)->private_method(); // ERROR
}
};

friend class Base<Derived>;를 추가하거나 public method로 노출해 해결합니다.

#2. Derived의 destructor가 호출되지 않음

Base<Derived>* ptr = new Derived;
delete ptr; // Base의 destructor만 호출 — Derived 자원 누수

CRTP base는 보통 stack에서 쓰거나 derived로 직접 사용합니다. base pointer로 소유하는 패턴은 피해야 합니다.

#3. 복사 동작이 의도와 어긋남

template<typename D>
class Base {
public:
void copy_from(const Base& other) {
*static_cast<D*>(this) = *static_cast<const D*>(&other);
}
};

operator=가 잘 정의된 D에서만 안전합니다.

#4. 과도한 CRTP layer

class Concrete : public BaseA<Concrete>, public BaseB<Concrete>, public BaseC<Concrete> {};

다중 상속에서 diamond 문제나 이름 충돌이 발생할 수 있습니다. 한두 layer 정도로 제한합니다.

#C++20 concepts + CRTP

CRTP의 흐릿한 interface 정의를 concept으로 명확하게 만들 수 있습니다.

template<typename T>
concept Logger = requires(T t, const char* msg) {
{ t.log_impl(msg) } -> std::same_as<void>;
};
template<Logger Derived> // ← Derived는 Logger를 만족해야 함
class LoggerBase {
public:
void log(const char* msg) {
static_cast<Derived*>(this)->log_impl(msg);
}
};

template error message가 한층 명확해집니다.

#자주 보는 함정과 안티패턴

#1. 공허한 CRTP

template<typename D>
class Base {}; // 비어 있음
class Concrete : public Base<Concrete> {};

기능이 없습니다. CRTP는 의도된 utility를 제공해야 의미가 있습니다.

#2. CRTP base에서 virtual 사용

template<typename D>
class Base {
public:
virtual void method() { /* */ } // virtual + CRTP는 모순
};

CRTP는 virtual을 회피하는 패턴이므로 의도가 모호해집니다.

#3. Multiple CRTP base 충돌

template<typename D> struct A { void foo(); };
template<typename D> struct B { void foo(); };
class C : public A<C>, public B<C> {};
C c;
c.foo(); // ERROR — A::foo와 B::foo 충돌

c.A<C>::foo()처럼 명시적으로 호출합니다.

#4. CRTP 외부 인터페이스 불일치

서로 다른 CRTP 인스턴스를 같은 함수에서 받기가 어렵습니다. concept이나 type erasure를 사용합니다.

#5. Sizeof 증가

CRTP base가 멤버를 가지면 Concrete가 그만큼 커집니다. Empty Base Optimization 덕분에 보통은 추가 크기가 0으로 처리됩니다.

#측정 — CRTP의 효과

같은 logger를 virtual과 CRTP로 비교합니다(ARM Cortex-M4, -O2).

# Virtual
class Logger { virtual void log_impl(const char*); };
class UartLogger : public Logger { void log_impl(...) override; };
uart_logger.log("hello");
# 어셈블리:
ldr r3, [r0] ; vptr 로드
ldr r3, [r3, #4] ; vtable에서 log_impl 주소
blx r3 ; 간접 호출
# vtable 크기: 12 B (Logger)
# vptr: 4 B (UartLogger 인스턴스마다)
# CRTP
template<typename D> class LoggerBase { void log(...); };
class UartLogger : public LoggerBase<UartLogger> { void log_impl(...); };
uart_logger.log("hello");
# 어셈블리:
bl UartLogger::log_impl ; 직접 호출 — 인라인 가능
# vtable: 0
# vptr: 0

객체당 4 B, 클래스당 12 B를 절약합니다. 100 객체 50 클래스 기준이면 1000 B가 절약되며, 작은 차이지만 극소형 MCU에서는 의미가 있습니다.

#CRTP의 실용과 과용

다음과 같은 경우에 권장합니다.

  • 공통 utility에 다양한 구현이 붙는 경우(driver, logger).
  • 비교나 산술 같은 operator generation.
  • 독립 기능을 조합하는 mixin.

다음과 같은 경우에는 피합니다.

  • 간단한 함수 한두 개라면 그냥 함수로 둡니다.
  • plug-in 시스템처럼 런타임 확장이 필요하면 virtual을 씁니다.
  • 외부 라이브러리 인터페이스는 사용자 친화적이지 않으므로 피합니다.

#정리

  • CRTP는 template 기반 다형성으로, virtual 없이 컴파일 타임에 dispatch합니다.
  • vptr, vtable, 간접 호출이 모두 0이고 인라인도 가능합니다.
  • 임베디드에서는 peripheral driver, logger, mixin 패턴에 적합합니다.
  • 런타임에 type을 결정할 수는 없고 컴파일 타임에 닫힌 set만 다룹니다.
  • C++20 concepts와 함께 쓰면 interface가 명확해집니다.

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