【面经总结】C++版

开始总结面试中经历的问题，也包括一些高频考点和重难点。

一、 C++11特性

（1） C++的四种强制类型转换

四种强制类型转换操作符为别为：static_cast, dynamic_cast, const_cast, reinterpret_cast

dynamic_cast：用于多态类型的转换。
用于将一个父类的指针/引用转化为子类的指针/引用（安全的下行转换)
需要注意以下几点：

• 基类必须有虚函数，运行时检查类型信息（存储在类的虚函数表中）
• 对指针进行转换，失败返回NULL，成功给返回正常cast后的对象指针
• 对引用进行转换，失败抛出一个异常，成功返回正常cast后的对象引用

static_cast：用于非多态类型的转换。（代替C中通常的转换操作）
在基本数据类型之间转换，如把int转换为char，这种带来的安全性问题由程序员自己来保证；
在有类型指针与void*之间转换；
用于类层次结构中基类和派生类之间指针或引用的转换（一般不使用）
派生类---->基类：上行转换，安全
基类---->派生类：下行转换，没有动态类型检查，不安全

const_cast：用于删除const、volatile和_unaligned特性
常量指针与非常量指针之间的转换（比较危险，避免使用）

reinterpret_cast：用于对位进行简单的重新解释（高危操作）
用在任意指针（或引用）类型之间的转换；能够将整型转换为指针，也可以把指针转换为整型或数组。

（2）C++的四种智能指针

智能指针是对指针进行封装，可以像普通指针一样进行使用，同时可以自行进行释放，避免忘记释放指针指向的内存地址造成内存泄漏。C++的智能指针包括auto_ptr, shared_ptr, weak_ptr和unique_ptr。

• auto_ptr是较早版本的智能指针，在进行指针拷贝和赋值的时候，新指针直接接管旧指针的资源并且将旧指针指向空，但是这种方式在需要访问旧指针的时候，就会出现问题
• unique_ptr是auto_ptr弃用之后的替代品，不能赋值也不能拷贝，保证一个对象同一时间只有一个智能指针。赋值可以使用移动语义move函数进行
• shared_ptr可以使得一个对象可以有多个智能指针，当这个对象所有的智能指针被销毁时就会自动进行回收。（内部使用计数机制进行维护，但可能会出现两个智能指针循环引用造成无法正常释放资源）
• weak_ptr是为了协助shared_ptr而出现的。它不能访问对象，只能观测shared_ptr的引用计数，防止出现死锁。它的构造和析构不会引起计数的增加或减少

（3）lambda表达式

利用lambda表达式可以编写内嵌的匿名函数，用以替换独立函数或者函数对象，并且使代码更可读。

// 指明返回类型
auto add = [](int a, int b) -> int { return a + b };
// 自动推断返回类型
auto multiply = [](int a, int b){ return a * b };

闭包[]中的内容：

• []：默认不捕获任何变量；
• [=]：默认以值捕获所有变量
• [&]：默认以引用捕获所有变量
• [x]：仅以值捕获x，其他变量不捕获
• [&x]：仅以引用捕获x，其他变量不捕获
• [=, &x]：默认以值捕获所有变量，但是x是例外，通过引用捕获
• [&, x]：默认以引用捕获所有变量，但是x是例外，通过值捕获
• [this]：通过引用捕获当前对象（其实是复制指针）
• [*this]：通过传值方式捕获当前对象

（4）拷贝构造函数和移动构造函数的区别

• 拷贝构造函数用于从一个已存在的对象创建创建一个新的对象，即复制构造函数。它通常有一个类对象作为参数，返回一个新的对象，该对象与原始对象具有相同的值。如果一个类没有定义拷贝构造函数，则编译器会生成一个默认的拷贝构造函数，它将逐个赋值所有非静态成员。如果一个类具有指针或引用成员，则需要自己编写的拷贝构造函数，以确保正确地复制指针或引用所指向的对象
• 移动构造函数用于从一个临时对象创建一个新对象，以提高效率和减少内存使用。它们采用右值引用的语法，并将临时对象的资源移动到新对象中，而不是复制它们。如果一个类具有指针和其他资源成员，则需要实现移动构造函数和移动赋值运算符，以确保正确地移动这些资源。
• 区别
  • 功能不同：拷贝构造函数会通过复制原始对象的所有变量的值，从而创建一个新的、与原始对象相同的对象；移动构造函数用于从一个右值引用的临时对象创建一个新的对象。它会“窃取”原始对象的资源（例如指针或文件句柄）
  • 形参类型不同：拷贝构造函数的参数通常是const引用类型的对象；移动构造函数的参数通常是右值引用类型的对象

    //拷贝构造函数
    MyClass(const MyClass& other);
    
    //移动构造函数
    MyClass(MyClass&& other);

  • 调用时机不同：拷贝构造函数通常在用一个对象初始化另一个对象、传递一个对象作为参数到函数中、从函数中返回一个对象被调用；移动构造函数通常在从一个临时对象创建一个新对象、将一个临时对象作为参数传递到函数中、从函数中返回一个临时对象被调用。
  • 适用范围不同：拷贝构造函数适用于所有类型的对象；移动构造函数适用于具有可移动资源的对象，例如指针、文件句柄、unique_ptr等，但不适于具有固定位置内存的对象，例如数组、vector等。

二、C++基础

（1）C++构造函数和析构函数的调用顺序

构造函数：父类构造函数->成员变量构造函数->自身构造函数

析构函数：自身析构函数->成员变量析构函数->父类析构函数

（2）C++虚函数相关

虚函数：在基类的函数前加上virtual关键字，在派生类中重写该函数，运行时会根据对象的实际类型来调用相应的函数。如果对象类型是派生类，就调用派生类的函数；如果对象类型是基类，就调用基类的函数。

C++的虚函数是实现多态的机制。它是通过虚函数表实现的，虚函数表是每个类中存放虚函数地址的指针数组，类的实例在调用函数时会在虚函数表中寻找函数地址进行调用，如果子类覆盖了父类的函数，则子类的虚函数会指向子类实现的函数地址，否则指向父类的函数地址。一个类的所有实例都共享同一张虚函数表。

（3）基类的析构函数一般写成虚函数的原因

当析构一个指向子类的父类指针时，编译器可以根据虚函数表寻找到子类的析构函数进行调用，从而正确释放子类对象的资源。

如果析构函数不被声明为虚函数，则编译器实施静态绑定，在删除指向子类的父类指针时，只会调用父类的析构函数而不调用子类析构函数，这样就会造成子类对象析构不完全造成内存泄露。

（4）构造函数为什么一般不定义为虚函数

虽然虚函数表在程序编译的时候创建，但是对于虚函数指针来说，它基于对象，因此是在运行时创建。
创建一个对象需要确定对象的类型，而虚函数是在运行时确定其类型的。而在构建一个对象时，由于对象还未创建成功，编译器无法知道对象的实际类型，是类本身还是类的派生类等等；
虚函数的调用需要虚函数表指针，而该指针存放在对象的内存空间中；若构造函数声明为虚函数，那么由于对象还未创建，还没有内存空间，更没有虚函数表地址用来调用虚函数即构造函数了。

（5）纯虚函数

纯虚函数是只有声明没有实现的虚函数，是对子类的约束，是接口继承。它不能被实例化，只有实现了这个纯虚函数的子类才能生成对象

（6）C++中const的用法

const修饰类的成员变量时，表示常量不能被修改
const修饰类的成员函数，表示该函数不会修改类中的数据成员，不会调用其他非const的成员函数
对于指针，如果const位于*的左侧，则const就是用来修饰指针所指向的变量，即指针指向为常量；如果const位于*的右侧，const就是修饰指针本身，即指针本身是常量

（7）宏定义#define和常量const的区别

• 类型和安全检查不同：宏定义是字符替换，没有数据类型的区别，同时这种替换没有类型安全检查，可能产生边际效应等错误；const常量是常量的声明，有类型区别，需要在编译阶段进行类型检查
• 编译器处理不同：宏定义是一个“编译时”概念，在预处理阶段展开，不能对宏定义进行调试；const常量是一个“运行时”概念，在程序运行使用，类似于一个只读行数据
• 存储方式不同：宏定义是直接替换，不会分配内存，存储于程序的代码段中；const常量需要进行内存分配，存储于程序的数据段。
• 定义域不同：宏定义适用于全局定义域；const常量只存在局部函数中
• 是否可以做函数参数：宏定义不能作为参数传递给函数；const常量可以在函数的参数列表中出现

（8）自动局部变量与静态局部变量

局部变量在声明时，在类型前可以增加修饰（auto、static）
auto int a；表示a是自动局部变量，auto关键字可以省略，它与int a；等价
static int b；表示b是静态局部变量

C++11中作出更新，auto更新为自动类型推断，register显示地指出变量是自动的

（9）友元函数（friend）

• 友元函数是单向的，A在B类中被声明为友元函数/友元类（定义无需friend修饰），表示A是B的友元函数/友元类，但B不是A的友元函数/友元类
• 友元函数/友元类具有和类成员一样的权限，可以访问protected和private权限的成员，但不是类的成员，因此破坏了封装性
• 友元函数不能被继承，同时也不具有传递性。
• 友元函数本质上属于普通函数，不在类范畴中，没有this、成员的概念。

（10）运算符的重载

双目运算符：使用友元函数重载，使其符合交换律
单目运算符：使用成员函数重载
特例：<< >>左侧为流的对象引用，所以必须使用友元函数重载

（11）C++中的new/delete和C中的malloc/free的区别

• malloc/free是C++/C语言的标准库函数，而new/delete是C++的运算符
• new建立的是一个对象，malloc分配的是一块内存
• new建立的对象，用成员函数进行访问，最好不要直接访问它的地址空间；malloc分配的是一片内存区域，可以直接用指针访问，而且还可以在其中移动指针
• new可以认为是malloc加上构造函数组成，delete可以认为是free加上析构函数组成
• new构建的指针是带类型信息的（对象指针），而malloc返回的都是void*指针

（12）static的应用场景

• 静态全局变量：限制了该变量的作用域为当前文件，不能被其他文件访问。
• 静态局部变量：在程序执行到该对象的声明处时被首次初始化；虽然初始化位置在全局数据区，但作用域为局部作用域，当定义函数或者语句块结束时，作用域随之结束
• 静态函数：不能为其他文件所用；其他文件可以定义相同名字的函数，不会发生冲突
• 静态数据成员：类中的所有对象共有，只分配一次内存
• 静态成员函数：类中的所有对象都可以调用的成员函数，属于类定义的一部分，没有this指针，也不能访问类对象的非静态数据成员

（13）迭代器失效问题

• 序列式容器（vector、deque）：erase和insert会使当前位置到容器末尾元素的迭代器全部失效，解决办法是利用erase方法可以返回下一个有效的iterator；扩容时，所有迭代器都会失效
• 关联式容器（map、set、multimap、multiset）：删除当前的iterator，仅仅会使当前的失效；插入不会使得任何迭代器失效
• 链表式容器（list）：同上
• 哈希容器（unordered_map，unordered_set）：同上

（14）继承和组合的区别

组合是指在类中嵌入对象，从而使组合类可以使用嵌入对象的全部或部分成员和方法。与继承不同，组合使静态的，即组合类与嵌入对象之间的关系在编译时就已经确定，不能再运行时动态改变。
组合可以分为成员变量组合和指针组合两种

• 成员变量组合：指嵌入对象作为组合类的成员
• 指针组合：指嵌入对象作为指针成员，需要在组合类的构造函数中动态分配内存