Cpp八股文

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编译内存相关

C++ 程序编译过程

编译过程分为四个过程：编译（编译预处理、编译、优化），汇编，链接。

  • 编译预处理：处理以 # 开头的指令；

  • 编译、优化：将源码 .cpp 文件翻译成 .s 汇编代码；

  • 汇编：将汇编代码 .s 翻译成机器指令 .o 文件；

  • 链接：汇编程序生成的目标文件，即 .o 文件，并不会立即执行，因为可能会出现：.cpp 文件中的函数引用了另一个 .cpp 文件中定义的符号或者调用了某个库文件中的函数。那链接的目的就是将这些文件对应的目标文件连接成一个整体，从而生成可执行的程序 .exe 文件。

    image.png

链接分为两种：

  • 静态链接：代码从其所在的静态链接库中拷贝到最终的可执行程序中，在该程序被执行时，这些代码会被装入到该进程的虚拟地址空间中。
  • 动态链接：代码被放到动态链接库或共享对象的某个目标文件中，链接程序只是在最终的可执行程序中记录了共享对象的名字等一些信息。在程序执行时，动态链接库的全部内容会被映射到运行时相应进行的虚拟地址的空间。

二者的优缺点：

  • 静态链接：浪费空间，每个可执行程序都会有目标文件的一个副本，这样如果目标文件进行了更新操作，就需要重新进行编译链接生成可执行程序（更新困难）；优点就是执行的时候运行速度快，因为可执行程序具备了程序运行的所有内容。
  • 动态链接：节省内存、更新方便，但是动态链接是在程序运行时，每次执行都需要链接，相比静态链接会有一定的性能损失。

静态链接是将程序调用的库一起打包到可执行文件中，这样执行时就不需要调用别的库了，速度快，但是链接的时候可能同一个库链接了好几次，导致空间浪费，而且如果该库更新了的话，整个程序需要重新编译；
image.png
动态链接是在程序执行时才载入引用的库，因此方便更新。
image.png

C++ 内存管理

C++ 内存分区：栈、堆、全局/静态存储区、常量存储区、代码区。

栈：存放函数的局部变量、函数参数、返回地址等，由编译器自动分配和释放。
堆：动态申请的内存空间，就是由 malloc 分配的内存块，由程序员控制它的分配和释放，如果程序执行结束还没有释放，操作系统会自动回收。
全局区/静态存储区（.bss 段和 .data 段）：存放全局变量和静态变量，程序运行结束操作系统自动释放，在 C 语言中，未初始化的放在 .bss 段中，初始化的放在 .data 段中，C++ 中不再区分了。
常量存储区（.data 段）：存放的是常量，不允许修改，程序运行结束自动释放。
代码区（.text 段）：存放代码，不允许修改，但可以执行。编译后的二进制文件存放在这里。
说明：

从操作系统的本身来讲，以上存储区在内存中的分布是如下形式(从低地址到高地址)：.text 段 –> .data 段 –> .bss 段 –> 堆 –> unused –> 栈 –> env
程序实例：

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#include <iostream>
using namespace std;

/*
说明：C++ 中不再区分初始化和未初始化的全局变量、静态变量的存储区，如果非要区分下述程序标注在了括号中
*/

int g_var = 0; // g_var 在全局区（.data 段）
char *gp_var;  // gp_var 在全局区（.bss 段）

int main()
{
    int var;                    // var 在栈区
    char *p_var;                // p_var 在栈区
    char arr[] = "abc";         // arr 为数组变量，存储在栈区；"abc"为字符串常量，存储在常量区
    char *p_var1 = "123456";    // p_var1 在栈区；"123456"为字符串常量，存储在常量区
    static int s_var = 0;       // s_var 为静态变量，存在静态存储区（.data 段）
    p_var = (char *)malloc(10); // 分配得来的 10 个字节的区域在堆区
    free(p_var);
    return 0;
}

栈和堆的区别

  • 申请方式：栈是系统自动分配，堆是程序员主动申请。
  • 申请后系统响应：分配栈空间，如果剩余空间大于申请空间则分配成功，否则分配失败栈溢出；申请堆空间，堆在内存中呈现的方式类似于链表（记录空闲地址空间的链表），在链表上寻找第一个大于申请空间的节点分配给程序，将该节点从链表中删除，大多数系统中该块空间的首地址存放的是本次分配空间的大小，便于释放，将该块空间上的剩余空间再次连接在空闲链表上。
  • 栈在内存中是连续的一块空间（向低地址扩展）最大容量是系统预定好的，堆在内存中的空间（向高地址扩展）是不连续的。
  • 申请效率：栈是有系统自动分配，申请效率高，但程序员无法控制；堆是由程序员主动申请，效率低，使用起来方便但是容易产生碎片。
  • 存放的内容：栈中存放的是局部变量，函数的参数；堆中存放的内容由程序员控制。

变量的区别

全局变量、局部变量、静态全局变量、静态局部变量的区别

C++ 变量根据定义的位置的不同的生命周期，具有不同的作用域，作用域可分为 6 种：全局作用域，局部作用域，语句作用域，类作用域，命名空间作用域和文件作用域。

从作用域看：

  • 全局变量：具有全局作用域。全局变量只需在一个源文件中定义，就可以作用于所有的源文件。当然，其他不包含全局变量定义的源文件需要用 extern 关键字再次声明这个全局变量。
  • 静态全局变量：具有文件作用域。它与全局变量的区别在于如果程序包含多个文件的话，它作用于定义它的文件里，不能作用到其它文件里，即被 static 关键字修饰过的变量具有文件作用域。这样即使两个不同的源文件都定义了相同名字的静态全局变量，它们也是不同的变量。
  • 局部变量：具有局部作用域。它是自动对象（auto），在程序运行期间不是一直存在，而是只在函数执行期间存在，函数的一次调用执行结束后，变量被撤销，其所占用的内存也被收回。
  • 静态局部变量：具有局部作用域。它只被初始化一次，自从第一次被初始化直到程序运行结束都一直存在，它和全局变量的区别在于全局变量对所有的函数都是可见的，而静态局部变量只对定义自己的函数体始终可见。

从分配内存空间看：

  • 静态存储区：全局变量，静态局部变量，静态全局变量。
  • 栈：局部变量。

说明：

  • 静态变量和栈变量（存储在栈中的变量）、堆变量（存储在堆中的变量）的区别：静态变量会被放在程序的静态数据存储区（.data 段）中（静态变量会自动初始化），这样可以在下一次调用的时候还可以保持原来的赋值。而栈变量或堆变量不能保证在下一次调用的时候依然保持原来的值。
  • 静态变量和全局变量的区别：静态变量用 static 告知编译器，自己仅仅在变量的作用范围内可见。

全局变量定义在头文件中有什么问题？

如果在头文件中定义全局变量，当该头文件被多个文件 include 时，该头文件中的全局变量就会被定义多次，导致重复定义，因此不能再头文件中定义全局变量。

对象创建限制在堆或栈

如何限制类的对象只能在堆上创建？如何限制对象只能在栈上创建？

说明：C++ 中的类的对象的建立分为两种：静态建立、动态建立。

  • 静态建立：由编译器为对象在栈空间上分配内存，直接调用类的构造函数创建对象。例如：A a;
  • 动态建立：使用 new 关键字在堆空间上创建对象，底层首先调用 operator new() 函数，在堆空间上寻找合适的内存并分配；然后，调用类的构造函数创建对象。例如：A *p = new A();

限制对象只能建立在堆上：

  • 最直观的思想：避免直接调用类的构造函数，因为对象静态建立时，会调用类的构造函数创建对象。但是直接将类的构造函数设为私有并不可行，因为当构造函数设置为私有后，不能在类的外部调用构造函数来构造对象，只能用 new 来建立对象。但是由于 new 创建对象时，底层也会调用类的构造函数，将构造函数设置为私有后，那就无法在类的外部使用 new 创建对象了。因此，这种方法不可行。

  • 解决方法 1：

    • 将析构函数设置为私有。原因：静态对象建立在栈上，是由编译器分配和释放内存空间，编译器为对象分配内存空间时，会对类的非静态函数进行检查，即编译器会检查析构函数的访问性。当析构函数设为私有时，编译器创建的对象就无法通过访问析构函数来释放对象的内存空间，因此，编译器不会在栈上为对象分配内存。

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      class A
      {
      public:
          A() {}
          void destory()
          {
              delete this;
          }

      private:
          ~A()
          {
          }
      };

      该方法存在的问题：

    • 用 new 创建的对象，通常会使用 delete 释放该对象的内存空间，但此时类的外部无法调用析构函数，因此类内必须定义一个 destory() 函数，用来释放 new 创建的对象。

    • 无法解决继承问题，因为如果这个类作为基类，析构函数要设置成 virtual，然后在派生类中重写该函数，来实现多态。但此时，析构函数是私有的，派生类中无法访问。

  • 解决方法 2：

    • 构造函数设置为 protected，并提供一个 public 的静态函数来完成构造，而不是在类的外部使用 new 构造；将析构函数设置为 protected。原因：类似于单例模式，也保证了在派生类中能够访问析构函数。通过调用 create() 函数在堆上创建对象。

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      class A
      {
      protected:
          A() {}
          ~A() {}

      public:
          static A *create()
          {
              return new A();
          }
          void destory()
          {
              delete this;
          }
      };

限制对象只能建立在栈上：

  • 解决方法：将 operator new() 设置为私有。原因：当对象建立在堆上时，是采用 new 的方式进行建立，其底层会调用 operator new() 函数，因此只要对该函数加以限制，就能够防止对象建立在堆上。

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class A
{
private:
    void *operator new(size_t t) {}    
    void operator delete(void *ptr) {} 
public:
    A() {}
    ~A() {}
};

内存对齐

什么是内存对齐？内存对齐的原则？为什么要进行内存对齐，有什么优点？

内存对齐：编译器将程序中的每个“数据单元”安排在字的整数倍的地址指向的内存之中
内存对齐的原则：

  1. 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员大小与对齐基数中的较小者所整除；
  2. 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量 （offset） 都是该成员大小与对齐基数中的较小者的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节 （internal padding）；
  3. 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小与对齐基数中的较小者的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节 （trailing padding）。

实例：

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#include <iostream>

using namespace std;

struct A
{
    short var; 
    int var1;  
    long var2; 
    char var3; 
    string s;  
};

int main()
{
    short var;
    int var1;
    long var2;
    char var3;
    string s;
    A ex1;
    cout << sizeof(var) << endl;  
    cout << sizeof(var1) << endl; 
    cout << sizeof(var2) << endl; 
    cout << sizeof(var3) << endl; 
    cout << sizeof(s) << endl;    
    cout << sizeof(ex1) << endl;  
    return 0;
}

进行内存对齐的原因：（主要是硬件设备方面的问题）

  1. 某些硬件设备只能存取对齐数据，存取非对齐的数据可能会引发异常；
  2. 某些硬件设备不能保证在存取非对齐数据的时候的操作是原子操作；
  3. 相比于存取对齐的数据，存取非对齐的数据需要花费更多的时间；
  4. 某些处理器虽然支持非对齐数据的访问，但会引发对齐陷阱（alignment trap）；
  5. 某些硬件设备只支持简单数据指令非对齐存取，不支持复杂数据指令的非对齐存取。

内存对齐的优点：

  1. 便于在不同的平台之间进行移植，因为有些硬件平台不能够支持任意地址的数据访问，只能在某些地址处取某些特定的数据，否则会抛出异常；
  2. 提高内存的访问效率，因为 CPU 在读取内存时，是一块一块的读取。

类的大小

类大小的计算

说明：类的大小是指类的实例化对象的大小，用 sizeof 对类型名操作时，结果是该类型的对象的大小。
计算原则：

  • 遵循结构体的对齐原则。
  • 与普通成员变量有关，与成员函数和静态成员无关。即普通成员函数，静态成员函数，静态数据成员，静态常量数据成员均对类的大小无影响。因为静态数据成员被类的对象共享，并不属于哪个具体的对象。
  • 虚函数对类的大小有影响，是因为虚函数表指针的影响。
  • 虚继承对类的大小有影响，是因为虚基表指针带来的影响。
  • 空类的大小是一个特殊情况，空类的大小为 1，当用 new 来创建一个空类的对象时，为了保证不同对象的地址不同，空类也占用存储空间。

实例：
简单情况和空类情况

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#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
private:
    static int s_var; 
    const int c_var;  
    int var;          
    char var1;        
public:
    A(int temp) : c_var(temp) {} 
    ~A() {}                    
};

class B
{
};
int main()
{
    A ex1(4);
    B ex2;
    cout << sizeof(ex1) << endl; 
    cout << sizeof(ex2) << endl; 
    return 0;
}

带有虚函数的情况：（注意：虚函数的个数并不影响所占内存的大小，因为类对象的内存中只保存了指向虚函数表的指针。）

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#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
private:
    static int s_var; 
    const int c_var;  
    int var;          
    char var1;        
public:
    A(int temp) : c_var(temp) {} 
    ~A() {}                      
    virtual void f() { cout << "A::f" << endl; }

    virtual void g() { cout << "A::g" << endl; }

    virtual void h() { cout << "A::h" << endl; } 
};

int main()
{
    A ex1(4);
    A *p;
    cout << sizeof(p) << endl;   
    cout << sizeof(ex1) << endl; 
    return 0;
}

什么是内存泄露

内存泄漏：由于疏忽或错误导致的程序未能释放已经不再使用的内存。
进一步解释：

  • 并非指内存从物理上消失，而是指程序在运行过程中，由于疏忽或错误而失去了对该内存的控制，从而造成了内存的浪费。

  • 常指堆内存泄漏，因为堆是动态分配的，而且是用户来控制的，如果使用不当，会产生内存泄漏。

  • 使用 malloc、calloc、realloc、new 等分配内存时，使用完后要调用相应的 free 或 delete 释放内存，否则这块内存就会造成内存泄漏。

  • 指针重新赋值

    • C++
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    char *p = (char *)malloc(10);
    char *p1 = (char *)malloc(10);
    p = np;

    开始时，指针 p 和 p1 分别指向一块内存空间，但指针 p 被重新赋值，导致 p 初始时指向的那块内存空间无法找到，从而发生了内存泄漏。

怎么防止内存泄漏？内存泄漏检测工具的原理？

防止内存泄漏的方法：

  1. 内部封装：将内存的分配和释放封装到类中，在构造的时候申请内存，析构的时候释放内存。

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    #include <iostream>
    #include <cstring>

    using namespace std;

    class A
    {
    private:
        char *p;
        unsigned int p_size;

    public:
        A(unsigned int n = 1) 
        {
            p = new char[n];
            p_size = n;
        };
        ~A() 
        {
            if (p != NULL)
            {
                delete[] p; 
                p = NULL;   
            }
        };
        char *GetPointer()
        {
            return p;
        };
    };
    void fun()
    {
        A ex(100);
        char *p = ex.GetPointer();
        strcpy(p, "Test");
        cout << p << endl;
    }
    int main()
    {
        fun();
        return 0;
    }

    说明：但这样做并不是最佳的做法，在类的对象复制时，程序会出现同一块内存空间释放两次的情况，请看如下程序：

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    void fun1()
    {
        A ex(100);
        A ex1 = ex; 
        char *p = ex.GetPointer();
        strcpy(p, "Test");
        cout << p << endl;
    }

    简单解释：对于 fun1 这个函数中定义的两个类的对象而言，在离开该函数的作用域时，会两次调用析构函数来释放空间，但是这两个对象指向的是同一块内存空间，所以导致同一块内存空间被释放两次，可以通过增加计数机制来避免这种情况，看如下程序：

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    #include <iostream>
     #include <cstring>

     using namespace std;
     class A
     {
     private:
         char *p;
         unsigned int p_size;
         int *p_count; 
     public:
         A(unsigned int n = 1) 
         {
             p = new char[n];
             p_size = n;
             p_count = new int;
             *p_count = 1;
             cout << "count is : " << *p_count << endl;
         };
         A(const A &temp)
         {
             p = temp.p;
             p_size = temp.p_size;
             p_count = temp.p_count;
             (*p_count)++; 
             cout << "count is : " << *p_count << endl;
         }
         ~A()
         {
             (*p_count)--; 
             cout << "count is : " << *p_count << endl; 

             if (*p_count == 0) 
             {
                 cout << "buf is deleted" << endl;
                 if (p != NULL) 
                 {
                     delete[] p; 
                     p = NULL;   
                     if (p_count != NULL)
                     {
                         delete p_count;
                         p_count = NULL;
                     }
                 }
             }
         };
         char *GetPointer()
         {
             return p;
         };
     };
     void fun()
     {
         A ex(100);
         char *p = ex.GetPointer();
         strcpy(p, "Test");
         cout << p << endl;

         A ex1 = ex; 
         cout << "ex1.p = " << ex1.GetPointer() << endl;
     }
     int main()
     {
         fun();
         return 0;
     }

    程序运行结果：

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    count is : 1
    Test
    count is : 2
    ex1.p = Test
    count is : 1
    count is : 0
    buf is deleted

    解释下：程序运行结果的倒数 2、3 行是调用两次析构函数时进行的操作，在第二次调用析构函数时，进行内存空间的释放，从而会有倒数第 1 行的输出结果。

  2. 智能指针
    智能指针是 C++ 中已经对内存泄漏封装好了一个工具，可以直接拿来使用，将在下一个问题中对智能指针进行详细的解释。

内存泄漏检测工具的实现原理：

内存检测工具有很多，这里重点介绍下 valgrind 。

image.png

valgrind 是一套 Linux 下，开放源代码（GPL V2）的仿真调试工具的集合，包括以下工具：

  • Memcheck：内存检查器（valgrind 应用最广泛的工具），能够发现开发中绝大多数内存错误的使用情况，比如：使用未初始化的内存，使用已经释放了的内存，内存访问越界等。
  • Callgrind：检查程序中函数调用过程中出现的问题。
  • Cachegrind：检查程序中缓存使用出现的问题。
  • Helgrind：检查多线程程序中出现的竞争问题。
  • Massif：检查程序中堆栈使用中出现的问题。
  • Extension：可以利用 core 提供的功能，自己编写特定的内存调试工具。

Memcheck 能够检测出内存问题，关键在于其建立了两个全局表：

  • Valid-Value 表：对于进程的整个地址空间中的每一个字节（byte），都有与之对应的 8 个 bits ；对于 CPU 的每个寄存器，也有一个与之对应的 bit 向量。这些 bits 负责记录该字节或者寄存器值是否具有有效的、已初始化的值。
  • Valid-Address 表：对于进程整个地址空间中的每一个字节（byte），还有与之对应的 1 个 bit，负责记录该地址是否能够被读写。

检测原理：

  • 当要读写内存中某个字节时，首先检查这个字节对应的 Valid-Address 表中对应的 bit。如果该 bit 显示该位置是无效位置，Memcheck 则报告读写错误。
  • 内核（core）类似于一个虚拟的 CPU 环境，这样当内存中的某个字节被加载到真实的 CPU 中时，该字节在 Valid-Value 表对应的 bits 也被加载到虚拟的 CPU 环境中。一旦寄存器中的值，被用来产生内存地址，或者该值能够影响程序输出，则 Memcheck 会检查 Valid-Value 表对应的 bits，如果该值尚未初始化，则会报告使用未初始化内存错误。

智能指针有哪几种？智能指针的实现原理？

智能指针是为了解决动态内存分配时带来的内存泄漏以及多次释放同一块内存空间而提出的。C++11 中封装在了 <memory> 头文件中。

C++11 中智能指针包括以下三种：

  • 共享指针（shared_ptr）：资源可以被多个指针共享，使用计数机制表明资源被几个指针共享。通过 use_count() 查看资源的所有者的个数，可以通过 unique_ptr、weak_ptr 来构造，调用 release() 释放资源的所有权，计数减一，当计数减为 0 时，会自动释放内存空间，从而避免了内存泄漏。
  • 独占指针（unique_ptr）：独享所有权的智能指针，资源只能被一个指针占有，该指针不能拷贝构造和赋值。但可以进行移动构造和移动赋值构造（调用 move() 函数），即一个 unique_ptr 对象赋值给另一个 unique_ptr 对象，可以通过该方法进行赋值。
  • 弱指针（weak_ptr）：指向 share_ptr 指向的对象，能够解决由shared_ptr带来的循环引用问题。

智能指针的实现原理： 计数原理。

  • C++
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#include <iostream>
#include <memory>

template <typename T>
class SmartPtr
{
private : 
	T *_ptr;
	size_t *_count;

public:
	SmartPtr(T *ptr = nullptr) : _ptr(ptr)
	{
		if (_ptr)
		{
			_count = new size_t(1);
		}
		else
		{
			_count = new size_t(0);
		}
	}

	~SmartPtr()
	{
		(*this->_count)--;
		if (*this->_count == 0)
		{
			delete this->_ptr;
			delete this->_count;
		}
	}

	SmartPtr(const SmartPtr &ptr) 
	{
		if (this != &ptr)
		{
			this->_ptr = ptr._ptr;
			this->_count = ptr._count;
			(*this->_count)++;
		}
	}

	SmartPtr &operator=(const SmartPtr &ptr) 
	{
		if (this->_ptr == ptr._ptr)
		{
			return *this;
		}
		if (this->_ptr) 
		{
			(*this->_count)--;
			if (this->_count == 0)
			{
				delete this->_ptr;
				delete this->_count;
			}
		}
		this->_ptr = ptr._ptr;
		this->_count = ptr._count;
		(*this->_count)++; 
		return *this;
	}

	T &operator*()
	{
		assert(this->_ptr == nullptr);
		return *(this->_ptr);
	}

	T *operator->()
	{
		assert(this->_ptr == nullptr);
		return this->_ptr;
	}

	size_t use_count()
	{
		return *this->count;
	}
};

一个 unique_ptr 怎么赋值给另一个 unique_ptr 对象？

借助 std::move() 可以实现将一个 unique_ptr 对象赋值给另一个 unique_ptr 对象，其目的是实现所有权的转移。

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std::unique_ptr<A> ptr1(new A());
std::unique_ptr<A> ptr2 = std::move(ptr1);

使用智能指针会出现什么问题？怎么解决？

智能指针可能出现的问题：循环引用
在如下例子中定义了两个类 Parent、Child，在两个类中分别定义另一个类的对象的共享指针，由于在程序结束后，两个指针相互指向对方的内存空间，导致内存无法释放。

  • C++
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#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    shared_ptr<Child> ChildPtr;
public:
    void setChild(shared_ptr<Child> child) {
        this->ChildPtr = child;
    }

    void doSomething() {
        if (this->ChildPtr.use_count()) {

        }
    }

    ~Parent() {
    }
};

class Child {
private:
    shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
    void setPartent(shared_ptr<Parent> parent) {
        this->ParentPtr = parent;
    }
    void doSomething() {
        if (this->ParentPtr.use_count()) {

        }
    }
    ~Child() {
    }
};

int main() {
    weak_ptr<Parent> wpp;
    weak_ptr<Child> wpc;
    {
        shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        shared_ptr<Child> c(new Child);
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        wpp = p;
        wpc = c;
        cout << p.use_count() << endl; 
        cout << c.use_count() << endl; 
    }
    cout << wpp.use_count() << endl;  
    cout << wpc.use_count() << endl;  
    return 0;
}

循环引用的解决方法： weak_ptr

循环引用：该被调用的析构函数没有被调用，从而出现了内存泄漏。

  • weak_ptr 对被 shared_ptr 管理的对象存在 非拥有性（弱）引用，在访问所引用的对象前必须先转化为 shared_ptr；

  • weak_ptr 用来打断 shared_ptr 所管理对象的循环引用问题，若这种环被孤立（没有指向环中的外部共享指针），shared_ptr 引用计数无法抵达 0，内存被泄露；令环中的指针之一为弱指针可以避免该情况；

  • weak_ptr 用来表达临时所有权的概念，当某个对象只有存在时才需要被访问，而且随时可能被他人删除，可以用 weak_ptr 跟踪该对象；需要获得所有权时将其转化为 shared_ptr，此时如果原来的 shared_ptr 被销毁，则该对象的生命期被延长至这个临时的 shared_ptr 同样被销毁。

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#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    
    weak_ptr<Child> ChildPtr;
public:
    void setChild(shared_ptr<Child> child) {
        this->ChildPtr = child;
    }

    void doSomething() {
        
        if (this->ChildPtr.lock()) {

        }
    }

    ~Parent() {
    }
};

class Child {
private:
    shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
    void setPartent(shared_ptr<Parent> parent) {
        this->ParentPtr = parent;
    }
    void doSomething() {
        if (this->ParentPtr.use_count()) {

        }
    }
    ~Child() {
    }
};

int main() {
    weak_ptr<Parent> wpp;
    weak_ptr<Child> wpc;
    {
        shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        shared_ptr<Child> c(new Child);
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        wpp = p;
        wpc = c;
        cout << p.use_count() << endl; 
        cout << c.use_count() << endl; 
    }
    cout << wpp.use_count() << endl;  
    cout << wpc.use_count() << endl;  
    return 0;
}

语言对比

C++ 11 新特性

说明：C++11 的新特性有很多，从面试的角度来讲，如果面试官问到该问题，常以该问题作为引子，对面试者提到的知识点进行深入展开提问。面试者尽可能的列举常用的并且熟悉的特性，尽可能的掌握相关原理，下文只是对相关知识点进行了简单的阐述，有关细节还需要结合相关知识点的相关问题。
下面对常用的做一下总结：

  1. auto 类型推导

auto 关键字：自动类型推导，编译器会在 编译期间 通过初始值推导出变量的类型，通过 auto 定义的变量必须有初始值。

auto 关键字基本的使用语法如下：

  • C++
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auto var = val1 + val2;

注意：编译器推导出来的类型和初始值的类型并不完全一样，编译器会适当地改变结果类型使其更符合初始化规则。

  1. decltype 类型推导
    decltype 关键字：decltype 是“declare type”的缩写，译为“声明类型”。和 auto 的功能一样，都用来在编译时期进行自动类型推导。如果希望从表达式中推断出要定义的变量的类型，但是不想用该表达式的值初始化变量，这时就不能再用 auto。decltype 作用是选择并返回操作数的数据类型。

区别：

  • C++
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auto var = val1 + val2; 
decltype(val1 + val2) var1 = 0;
  • auto 根据 = 右边的初始值 val1 + val2 推导出变量的类型，并将该初始值赋值给变量 var；decltype 根据 val1 + val2 表达式推导出变量的类型，变量的初始值和与表达式的值无关。
  • auto 要求变量必须初始化，因为它是根据初始化的值推导出变量的类型，而 decltype 不要求，定义变量的时候可初始化也可以不初始化。
  1. lambda 表达式
    lambda 表达式，又被称为 lambda 函数或者 lambda 匿名函数。

lambda匿名函数的定义:

  • C++
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[capture list] (parameter list) -> return type
{
   function body;
};

其中：

  • capture list：捕获列表，指 lambda 所在函数中定义的局部变量的列表，通常为空。
  • return type、parameter list、function body：分别表示返回值类型、参数列表、函数体，和普通函数一样。

举例：

  • C++
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#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    int arr[4] = {4, 2, 3, 1};
    
    sort(arr, arr+4, [=](int x, int y) -> bool{ return x < y; } );
    for(int n : arr){
        cout << n << " ";
    }
    return 0;
}
  1. 范围 for 语句
    语法格式：
  • C++
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for (declaration : expression){
    statement
}

参数的含义：

  • expression：必须是一个序列，例如用花括号括起来的初始值列表、数组、vector ，string 等，这些类型的共同特点是拥有能返回迭代器的 beign、end 成员。
  • declaration：此处定义一个变量，序列中的每一个元素都能转化成该变量的类型，常用 auto 类型说明符。

实例：

  • C++
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#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
    char arr[] = "hello world!";
    for (char c : arr) {
        cout << c;
    }  
    return 0;
}
  1. 右值引用
    右值引用：绑定到右值的引用，用 && 来获得右值引用，右值引用只能绑定到要销毁的对象。为了和右值引用区分开，常规的引用称为左值引用。
    举例：
  • C++
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#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    int var = 42;
    int &l_var = var;
    int &&r_var = var; 

    int &&r_var2 = var + 40; 
    return 0;
}
  1. 标准库 move() 函数
    move() 函数：通过该函数可获得绑定到左值上的右值引用，该函数包括在 utility 头文件中。该知识点会在后续的章节中做详细的说明。
  2. 智能指针
    相关知识已在第一章中进行了详细的说明，这里不再重复。
  3. delete 函数和 default 函数

  • delete 函数：= delete 表示该函数不能被调用。

  • default 函数：= default 表示编译器生成默认的函数，例如：生成默认的构造函数。

  • C++

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#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A() = default; 
	~A() = default;	
	A(const A &) = delete; 
	A &operator=(const A &) = delete; 
};
int main()
{
	A ex1;
	A ex2 = ex1; 
	A ex3;
	ex3 = ex1; 
	return 0;
}

C 和 C++ 的区别

首先说一下面向对象和面向过程：

  • 面向过程的思路：分析解决问题所需的步骤，用函数把这些步骤依次实现。
  • 面向对象的思路：把构成问题的事务分解为各个对象，建立对象的目的，不是完成一个步骤，而是描述某个事务在解决整个问题步骤中的行为。

区别和联系：

  • 语言自身：C 语言是面向过程的编程，它最重要的特点是函数，通过 main 函数来调用各个子函数。程序运行的顺序都是程序员事先决定好的。C++ 是面向对象的编程，类是它的主要特点，在程序执行过程中，先由主 main 函数进入，定义一些类，根据需要执行类的成员函数，过程的概念被淡化了（实际上过程还是有的，就是主函数的那些语句。），以类驱动程序运行，类就是对象，所以我们称之为面向对象程序设计。面向对象在分析和解决问题的时候，将涉及到的数据和数据的操作封装在类中，通过类可以创建对象，以事件或消息来驱动对象执行处理。
  • 应用领域：C 语言主要用于嵌入式领域，驱动开发等与硬件直接打交道的领域，C++ 可以用于应用层开发，用户界面开发等与操作系统打交道的领域。
  • C++ 既继承了 C 强大的底层操作特性，又被赋予了面向对象机制。它特性繁多，面向对象语言的多继承，对值传递与引用传递的区分以及 const 关键字，等等。
  • C++ 对 C 的“增强”，表现在以下几个方面：类型检查更为严格。增加了面向对象的机制、泛型编程的机制（Template）、异常处理、运算符重载、标准模板库（STL）、命名空间（避免全局命名冲突）。

Java 和 C++ 的区别

二者在语言特性上有很大的区别：

  • 指针：C++ 可以直接操作指针，容易产生内存泄漏以及非法指针引用的问题；Java 并不是没有指针，虚拟机（JVM）内部还是使用了指针，只是编程人员不能直接使用指针，不能通过指针来直接访问内存，并且 Java 增加了内存管理机制。
  • 多重继承：C++ 支持多重继承，允许多个父类派生一个类，虽然功能很强大，但是如果使用的不当会造成很多问题，例如：菱形继承；Java 不支持多重继承，但允许一个类可以继承多个接口，可以实现 C++ 多重继承的功能，但又避免了多重继承带来的许多不便。
  • 数据类型和类：Java 是完全面向对象的语言，所有函数和变量部必须是类的一部分。除了基本数据类型之外，其余的都作为类对象，包括数组。对象将数据和方法结合起来，把它们封装在类中，这样每个对象都可实现自己的特点和行为。而 C++ 允许将函数和变量定义为全局的。

垃圾回收：

  • Java 语言一个显著的特点就是垃圾回收机制，编程人员无需考虑内存管理的问题，可以有效的防止内存泄漏，有效的使用空闲的内存。
  • Java 所有的对象都是用 new 操作符建立在内存堆栈上，类似于 C++ 中的 new 操作符，但是当要释放该申请的内存空间时，Java 自动进行内存回收操作，C++ 需要程序员自己释放内存空间，并且 Java 中的内存回收是以线程的方式在后台运行的，利用空闲时间。

应用场景：

  • Java 运行在虚拟机上，和开发平台无关，C++ 直接编译成可执行文件，是否跨平台在于用到的编译器的特性是否有多平台的支持。
  • C++ 可以直接编译成可执行文件，运行效率比 Java 高。
  • Java 主要用来开发 Web 应用。
  • C++ 主要用在嵌入式开发、网络、并发编程的方面。

Python 和 C++ 的区别

区别：

  • 语言自身：Python 为脚本语言，解释执行，不需要经过编译；C++ 是一种需要编译后才能运行的语言，在特定的机器上编译后运行。
  • 运行效率：C++ 运行效率高，安全稳定。原因：Python 代码和 C++ 最终都会变成 CPU 指令来跑，但一般情况下，比如反转和合并两个字符串，Python 最终转换出来的 CPU 指令会比 C++ 多很多。首先，Python 中涉及的内容比 C++ 多，经过了更多层，Python 中甚至连数字都是 object ；其次，Python 是解释执行的，和物理机 CPU 之间多了解释器这层，而 C++ 是编译执行的，直接就是机器码，编译的时候编译器又可以进行一些优化。
  • 开发效率：Python 开发效率高。原因：Python 一两句代码就能实现的功能，C++ 往往需要更多的代码才能实现。
  • 书写格式和语法不同：Python 的语法格式不同于其 C++ 定义声明才能使用，而且极其灵活，完全面向更上层的开发者。

面向对象

第三章主要针对 C++ 面向对象展开相关的知识点，主要涉及对面向对象的理解、三大特性、多态等知识点。本章中涉及的几个问题面试者在回答的时候，可以了灵活的来回答，例如：结合自己的项目经历进行展开的讲解，说一下在自己的项目中哪里用到了多态、多态是怎么实现的。但是，一定要在准确表述其基本含义后再结合实战经验进行展开。

什么是面向对象？面向对象的三大特性

面向对象：对象是指具体的某一个事物，这些事物的抽象就是类，类中包含数据（成员变量）和动作（成员方法）。

面向对象的三大特性：

  • 封装：将具体的实现过程和数据封装成一个函数，只能通过接口进行访问，降低耦合性。
  • 继承：子类继承父类的特征和行为，子类有父类的非 private 方法或成员变量，子类可以对父类的方法进行重写，增强了类之间的耦合性，但是当父类中的成员变量、成员函数或者类本身被 final 关键字修饰时，修饰的类不能继承，修饰的成员不能重写或修改。
  • 多态：多态就是不同继承类的对象，对同一消息做出不同的响应，基类的指针指向或绑定到派生类的对象，使得基类指针呈现不同的表现方式。

重载、重写、隐藏的区别

如何理解 C++ 是面向对象编程

说明：该问题最好结合自己的项目经历进行展开解释，或举一些恰当的例子，同时对比下面向过程编程。

  • 面向过程编程：一种以执行程序操作的过程或函数为中心编写软件的方法。程序的数据通常存储在变量中，与这些过程是分开的。所以必须将变量传递给需要使用它们的函数。缺点：随着程序变得越来越复杂，程序数据与运行代码的分离可能会导致问题。例如，程序的规范经常会发生变化，从而需要更改数据的格式或数据结构的设计。当数据结构发生变化时，对数据进行操作的代码也必须更改为接受新的格式。查找需要更改的所有代码会为程序员带来额外的工作，并增加了使代码出现错误的机会。
  • 面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）：以创建和使用对象为中心。一个对象（Object）就是一个软件实体，它将数据和程序在一个单元中组合起来。对象的数据项，也称为其属性，存储在成员变量中。对象执行的过程被称为其成员函数。将对象的数据和过程绑定在一起则被称为封装。

面向对象编程进一步说明：
面向对象编程将数据成员和成员函数封装到一个类中，并声明数据成员和成员函数的访问级别（public、private、protected），以便控制类对象对数据成员和函数的访问，对数据成员起到一定的保护作用。而且在类的对象调用成员函数时，只需知道成员函数的名、参数列表以及返回值类型即可，无需了解其函数的实现原理。当类内部的数据成员或者成员函数发生改变时，不影响类外部的代码。