【面試題】C++系列（一）

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C++面向對象的三大特性：封裝，繼承，多態

（1）封裝是將數據和函數組合到一個類里。主要目的是隱藏內部的實現細節，僅暴露必要的接口給外部。通過封裝，可以控制類成員的訪問級別（例如：public、protected 和 private）。

（2）繼承是派生類獲得基類的屬性和方法。提高代碼復用性。public、protected、private。

（3）多態是同一個函數在不同的對象上表現形式不同。主要通過重載和重寫實現的，重載在編譯階段完成，屬于靜態的多態，重寫是利用虛函數和動態綁定實現，屬于動態多態。

【補充】重載是利用名稱修飾技術來改函數名，區分參數列表不同的參數。

解釋虛函數與虛函數表

（1）虛函數是C++中實現運行時多態的機制。重寫是利用虛函數和動態綁定實現的，在基類函數前加上virtual，派生類中重寫，運行時就會根據對象的實際類型去調用。

（2）虛函數表：每個有虛函數的類都會維護一個虛函數表(vtable)，存儲了該類所有虛函數的指針。調用虛函數時，程序通過vptr找到虛函數表，再通過表中的函數指針調用正確的函數實現。

【補充】對象創建時，編譯器會在對象內存布局的最前面加一個vptr指針，指向該類的虛函數表。調用虛函數時，程序通過vptr找到虛函數表，再通過表中的函數指針調用正確的函數實現。

【補充】虛函數表在內存中包含：

指向類型信息的指針(RTTI)，該類所有虛函數的實際地址，可能包含繼承鏈中父類的虛函數地址，派生類的虛函數表會繼承基類的虛函數表內容，并用派生類重寫的函數地址覆蓋對應的表項。純虛函數在虛函數表中的位置會被保留，但指向一個特殊的"未實現"處理函數。

你對重載運算符了解多少？

首先只能重載已有的運算符，并且運算符的優先級、操作數個數、結合律和原來的一致。

其次是重載方式分為成員運算符和非成員運算符，區別是成員運算符少一個參數。

【補充】下標運算符、箭頭運算符必須是成員運算符

重載、重寫與隱藏

（1）重載是指相同作用域(命名空間、類)內有相同的函數名，但是參數列表不同。它根據參數不同來調用不同的函數。

【補充】返回值不能作為重載的區分條件

（2）重寫是指在派生類中重新定義基類中的方法。在需要改變或擴展基類方法時使用。

【補充】基類中被重寫的函數有virtual修飾，派生類在重寫時要有相同的名稱、參數列表、返回類型，只有函數體內不同。

（3）隱藏是指派生類的函數屏蔽了與其同名的基類函數。注意只要同名函數，不管參數列表是否相同，基類函數都會被隱藏。

【面試】在隱藏或者重寫的情況下，如何調用基類的函數？

答：使用作用域解析符::，類名::函數名()，或者通過基類指針或引用調用。

malloc、new，free、delete的異同

malloc和free是C語言中的庫函數，而new和delete是C++ 運算符，會調用它的構造和析構函數，而且運算符可以被重載。不過new和delete的底層會調用malloc和free。

【補充】malloc和free需要指定大小，返回的是void*類型，需要進行強制類型轉換。

【補充】new的底層會調用operator new，而它又會使用malloc分配內存，而malloc的底層是系統調用。delete 先調用析構函數釋放對象資源，再通過 operator delete釋放內存，調用free 直接歸還內存給系統。

malloc 1KB和1MB 有什么區別？

malloc() 并不是系統調用，而是 C 庫里的函數，用于動態分配內存。它的源碼里默認定義了一個閾值：

如果用戶分配的內存小于閾值，則通過 brk() 系統調用從堆分配內存。

如果用戶分配的內存大于閾值，則通過 mmap() 系統調用在文件映射區域分配內存；

字節序問題

大端字節序：高位字節存儲在低地址處，低位字節存儲在高地址處

低位字節序：低位字節存儲在低地址處，高位字節存儲在高地址處

【補充】網絡字節序使用的是大端字節序

Explicit關鍵字

用于防止隱式轉換。防止編譯器自動執行預期外的類型轉換，提高代碼的安全性。

define、const、inline、typedef的區別

define，發生在預處理階段，用于定義宏、常量，但是定義的常量沒有類型檢查，作用域是全局作用域，不受命名空間限制。

Const發生在編譯階段，定義的常量是帶類型的，會存儲在內存中，有利于類型轉換。

Inline內聯函數，在函數聲明前加上 inline 關鍵字。

typedef 發生在編譯階段處理的，有更嚴格的類型檢查，用于為現有類型創建別名。

【補充】定義為內聯函數不一定會進行內聯，就像mysql的索引優化一樣，編譯器內部會進行判斷，選擇最優的結果。優點是類型安全、可調試、可優化，缺點是函數體被復制多次，占用更多的代碼段空間，某些情況下會導致代碼膨脹，所以只適用于簡單代碼。

C++類對象的初始化

（1）基類初始化

如果當前類繼承自一個或多個基類，它們將按照聲明順序進行初始化，有虛繼承和一般繼承的情況下，優先虛繼承。

（2）成員變量初始化

按照在類定義中的聲明順序進行初始化（只與聲明順序有關）。

（3）執行構造函數

深copy與淺copy

淺拷貝是復制指針值，也就是地址，這會導致新舊對象共享同一塊內存。而深拷貝不僅復制指針，還會創建新的內存空間去拷貝數據，每個對象都有自己獨立的副本。

【補充】默認情況下，C++使用淺拷貝，效率高，但是有安全隱患：比如一個對象釋放了內存，另一個對象的指針就會變成懸空的，訪問會導致未定義行為；其次，當多個對象析構時，會多次釋放同一塊內存，造成程序崩潰。

【補充】深拷貝，需要自定義拷貝構造函數和賦值運算符重載。拷貝構造函數中，要為指針成員分配新的內存，并拷貝原始對象的數據；賦值運算符重載中，除了拷貝數據外，還需要先釋放對象原有的內存，處理自賦值的情況。

使用智能指針，shared_ptr共享所有權，unique_ptr獨占所有權。

Static類成員函數和類靜態變量

static 函數是靜態成員函數，它與類本身相關，而不是與類的對象。可以將其視為在類作用域下的全局函數。

【補充】靜態函數沒有 this 指針，不能訪問任何非靜態成員變量。

C++11新特性

（1）auto關鍵字編譯器自動推斷變量類型。

（2）基于范圍的for循環,簡化容器遍歷語法

（3）智能指針：引入內存管理類，減少內存泄漏：

std::unique_ptr：獨占所有權的智能指針，

std::shared_ptr：共享所有權的智能指針，

std::weak_ptr：不增加引用計數的智能指針。

（4）移動語義和右值引用，提高資源利用效率。

（5）Lambda表達式，支持匿名函數。

（6）nullptr更安全的空指針常量。

（7）委托構造函數，構造函數可以調用同類其他構造函數。

右值引用

右值引用簡單來說，就是可以延長某塊內存的存活時間。一般情況下，變量生命周期結束，它就被銷毀了，比如，函數中的臨時變量，在函數退出之后銷毀。如果想要延長使用時間，就可以使用右值引用，此時生命周期變為右值引用的生命周期。

【補充】右值引用構造函數（移動構造函數），復用另外一個對象中的資源（堆內存）。移動構造對資源進行了轉移，而普通的拷貝構造函數會使得多個對象的指針指向同一塊內存。

【補充】左右值不是等號的左右，關于左值有個關鍵字是lvalue（locator value），字面意思是可通過地址定位到這個數據，所以左值是可以進行取地址操作。右值是rvalue（read value），只讀的數據。所以一般能進行取地址操作的是左值，不能的是右值。

【補充】不管是左值引用還是右值引用都是別名，不占用內存空間。實現方面右值引用比左值引用多寫一個取地址符。語法上我們只能通過右值去初始化右值引用。同類型的左值、右值引用，右值常量引用等都可以用來初始化常量左值引用（const T&）。

智能指針

（1）std::unique_ptr (獨占指針)

特點：獨占所有權，同一時間只能有一個unique_ptr指向特定對象

不能復制，但可以通過std::move轉移所有權，離開作用域時自動釋放所管理的內存，零開銷（與原始指針相比幾乎沒有額外成本）

std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass());// 或者更好的方式（C++14起）：auto ptr = std::make_unique<MyClass>();

（2）std::shared_ptr (共享指針)???????? 可以使用std::make_shared

特點：共享所有權，多個shared_ptr可以指向同一個對象

使用引用計數機制跟蹤資源，當最后一個shared_ptr被銷毀時釋放資源，需要額外內存，有少量額外開銷

（3）std::weak_ptr (弱指針)

特點：不增加引用計數，不會阻止對象被銷毀

用于解決shared_ptr的循環引用問題，必須轉換為shared_ptr才能訪問對象

static_cast、dynamic_cast、?const_cast、?reinterpret_cast類型轉換

（1）static_cast在編譯時執行類型轉換，在進行指針或引用類型轉換時，需要自己保證合法性。如果想要運行時類型檢查，可以使用dynamic_cast進行安全的向下類型轉換

（2）dynamic_cast在C++中主要應用于父子類層次結構中的安全類型轉換。

它在運行時執行類型檢查，因此相比于static_cast，它更加安全

dynamic_cast <new_type> (expression)

（3）const_cast
new_type 必須是一個指針、引用或者指向對象類型成員的指針。當需要使用const對象調用非const成員函數時，可以使用const_cast刪除對象的const屬性

const_cast <new_type> (expression)

（4）?reinterpret_cast

reinterpret_cast用于在不同類型之間進行低級別的轉換。

reinterpret_cast <new_type> (expression)

Lamada表達式

Lambda 表達式是一種匿名函數，可以在需要的地方內聯定義函數，不用單獨聲明命名函數。作為回調函數時，常用。

[capture](parameters) -> return_type {// 函數體}

捕獲列表 (capture)：定義哪些外部變量可以在 lambda 體內使用

參數列表 (parameters)：與普通函數參數類似

返回類型 (return_type)：可選的，編譯器通常可以自動推導

函數體：包含 lambda 要執行的代碼

map、set是怎么樣實現的，紅黑樹是怎么樣能夠同時實現這兩種容器？為什么使用紅黑樹？

（1）底層都是以紅黑樹的結構實現，插入刪除等操作都在對數級別O(log n)完成的，比較高效；

（2）通過定義了模版特化和仿函數，使用同一棵紅黑樹：基于模板的RBTree<Key, Value, KeyOfValue, Compare>。但是不同節點數據：set：Value = Key，直接存值，map：Value = pair<const Key, T>，存鍵值對。通過仿函數KeyOfValue從Value中提取比較鍵，set用Identity：直接返回值，map用SelectFirst。

（3）因為map和set要求是自動排序的，紅黑樹能夠實現這一功能，而且時間復雜度比較低。