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Basic_C++.md

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Basic C++

static

  • static的使用可以分为两类，一类是用在普通变量和函数上，另一类是用在类中。
  1. 普通变量分为全局变量和局部变量。声明为静态全局变量是在全局区分配内存，并且只在当前文件可见，在文件之外是不可见的。其他文件定义同名变量不会发生冲突。变量的值只在第一次执行时进行初始化。声明为静态局部变量时与全局变量类似，只是作用域为局部作用域。
  2. 静态普通函数，只在当前文件中可见，其他文件中定义同名函数不会发生冲突。
  3. static用在类中，首先是静态成员变量，在类中声明，类外初始化。所有对象共享一份数据。
  4. 然后是静态成员函数：所有对象共享同一个函数，静态成员函数只能访问静态成员变量。

多态原理

  • 多态分类两大类：静态多态和动态多态。静态多态是重载和模板。动态多态：也叫运行时多态，是通过继承和虚函数实现的。在具有继承关系的子类中，子类重写父类的虚函数，通过父类引用或指针指向子类对象时，产生不同的行为叫做多态。
  • 多态的核心在于虚函数表指针，每个对象都有一个虚函数表指针，虚函数表指针指向一张虚函数表，表中记录了虚函数的入口地址，如果子类重写虚函数后，这个地址就会替换掉。多态的好处在于更方便程序的扩展，坏处在于每个对象多了一个4字节的指针，同时每次查询虚函数表需要耗时。**

智能指针

C++11有3个智能指针，分别是unique_ptr, shared_ptr和weak_ptr

  1. unique_ptr独享指针的所有权，无法进行拷贝构造赋值的操作，只能通过move函数进行所有权的转换。
  2. shared_ptr共享对象，它使用引用计数来保存当前有多少个智能指针在引用这个对象，当引用计数降为0时，对象会被销毁。
  3. weak_ptr称为弱引用，用于辅助shared_ptr正常工作，主要解决shared_ptr可能会产生的环形引用问题。weak_ptr不会增加对象的引用计数，共享指针可以直接赋值给弱指针，同时弱指针可以使用lock函数来获取shared_ptr对象。

智能指针与异常

  • 有异常也能正确析构，因为是局部变量。

常量指针和指针常量的区别

  • const int *
  • int* const

explicit

  • 只能用来修饰类的构造函数，阻止构造函数进行隐式转换。

malloc和new

  • malloc和new都是在堆上开辟内存，进行动态的管理。
  1. new是操作符，malloc是库函数
  2. malloc只负责开辟内存，没有初始化功能。new不但能开辟内存，还可以初始化。
  3. malloc必须指定开辟内存的大小，并且返回类型为void*，因此malloc的返回值一般都需要进行类型转换。new可以自动计算出所需内存的大小，并且返回指定类型的指针。
  4. malloc和new如果操作是内置数据类型两者基本类似，不同在于申请失败时。malloc申请失败时返回NULL。new申请失败抛出异常。
  5. 自定义类型时，new先调用operator new函数申请空间，然后在申请的空间上执行构造函数。

Linux内存模型

  • 从高地址到低地址
  1. 环境变量和命令行参数
  2. 栈区
  3. 共享区
  4. 堆区
  5. 未初始化数据段.bss
  6. 初始化数据段.data
  7. 代码段.text

指针和引用的区别

  1. 指针保存的是所指对象的地址，而引用是所指对象的别名。指针需要通过解引用间接访问对象的值，引用可以直接访问。
  2. 指针可以有多级指针，而引用最多两级。并且两个取地址符是右值引用。右值引用是为了减少深拷贝的次数。
  3. 指针可以不初始化，即使初始化以后也可以改变。而引用必须初始化，同时初始化以后不许改变。
  4. 引用的本质是指针常量。指针常量不可以修改指向，但是可以修改指向的值。常量指针刚好与之相反。

vector底层原理

  • 首先，vector的基类是三根指针，分别是start/finish/end_of_storage用来指示当前分配到的空间所用的起始位置，终止位置和容量尾部。然后，当finish指针到达end_of_storage的位置时，操作系统会寻找当前容量大小2倍的连续内存空间，并且将旧内存中的数据拷贝到新内存，然后释放旧内存。其次，如果重新分配了内存，原来的迭代器就会失效。频繁的开辟新内存比较耗时。如果可以预知使用的大小，可以使用reserve函数，预先开辟足够大的空间。或者使用swap函数收缩内存空间。

代码生成可执行文件的过程

  • 主要分为四个步骤
  1. 预编译阶段：对g++编译器指定-E参数，生成.i文件。这个阶段的主要工作是将所有的宏展开，去掉所有的条件预编译指令，将所有的头文件包含进来，删除注释等。
  2. 编译阶段：对g++编译器指定-S参数，生成.s汇编文件。这个阶段的主要工作是对代码的语法，语义和词法等进行分析。
  3. 汇编阶段: 对g++编译器指定-c参数，生成.o二进制文件。
  4. 链接阶段：将各个模块之间的相互引用处理好。把所有的静态库用到的目标文件装入程序中，并进行统一编址，然后进行重定位，即逻辑地址到物理地址的转换。

静态库与动态库

  1. 静态库：命名方式为lib开头加上自定义的静态库名，然后以.a结尾。静态库实际上是一组目标文件的集合，再链接阶段与调用的程序生成可执行文件。静态库的优点在于：**代码加载速度快，发布程序时，不需要提供对应的库；**缺点时：可执行文件体积大，**同时如果静态库有修改，调用的程序需要重新编译，**而编译的耗时比较久。
  2. 动态库：命名方式为lib开头加上自定义的动态库名，然后以.so结尾。动态库首先生成与位置无关的目标文件，然后再运行时加载到内存。优点是：动态库可以共享，节省了系统资源，动态库进行修改后，无需重新编译。缺点是加载速度比静态链接慢，发布程序时，需要提供动态库。
  • windows
  1. 静态库：xxx.lib
  2. 动态库：yyy.ddl

指针常量

int* const p = &a
  • 指针常量必须初始化，一旦初始化完成，就不能再修改它的值，即指针的指向不可变。
  • 引用的本质是指针常量

声明和定义的区别

  1. 声明是告诉编译器有这个变量和函数的存在，但是需要到其它地方去寻找。
  2. 定义包含了声明，但是声明不包含定义，定义时才分配存储空间。

struct和class的区别

  1. 共同点：C++中，可以用struct和class定义类，都可以继承。
  2. 不同点：struct默认继承权限和默认访问权限时public class类的默认继承权限和访问权限时private。

const关键字

  • const可以用于限定变量，指针和函数不可改变，同时明确指定了类型，可以方便编译器做类型检查，也增加了代码的可读性。
  1. const修饰变量必须初始化。如果是全局的const变量，通常放在静态区。在局部声明的const变量放在栈区。
  2. const修饰成员函数时，函数中的成员变量不可改变，除非该变量特别声明为mutable
  3. const可以用来修饰指针，称为常量指针const int *p 指针的指向可以改变，但是不能改变指针指向的值。
  4. const修饰常量的指针叫做指针常量，int* const p 指针的指向不可以修改，指针指向的值可以修改。指针常量必须初始化。

const和define的区别

  • const可以明确指定数据类型，而宏定义没有数据类型。
  • define宏是在预处理阶段展开，const常量是在编译运行阶段使用。
  • define宏不分配内存，变量定义分配内存。

extern关键字

  1. 引入同一模块在其他文件中定义的全局变量和函数。
  2. 如果在C++里调用了C库定义函数，那么需要使用extern "C" 标识这个函数，告诉编译器使用C的方式进行编译，防止C++的编译方式导致命名重整，无法找到对应的C函数。命名重整的原因在于C++支持函数重载，而C不支持，所以C++编译时增加了函数参数的标识符。

this关键字

  1. 解决同名冲突
  2. 返回对象本身
  • this指针的本质是指针常量，指针的指向不可以修改。

move函数

  • 将左值强制转换为右值引用，右值引用可以减少一次对象的析构和对象的构造。
  • 右值引用可以减少深拷贝的次数。

段错误

  • 段错误通常发生在访问非法内存地址的时候。系统会发送一个SIGSEGV11号信号告诉当前进程，进程采取默认的捕获方式，即终止进程。
  1. 野指针
  2. 试图修改字符串常量的内容

auto关键字

  • 让编译器能够根据初始值的类型推断变量的类型。当处理复杂类型，比如STL中的类型时，优势最明显。auto p = vt.begin()

四种强制类型转换

  1. static_cast低风险的转换，比如整数转浮点数，字符型转整形。
  2. const_cast去掉const关键字的转换，可以去掉带const的指针和引用。
  3. dynamic_cast使具有继承关系的基类转换为派生类，如果不可以转换则返回NULL。
  4. reinterpret_cast指针或引用的转换，风险较高。

RTTI

  • 运行时类型识别
  • run time type identification
  • 常常结合typeid()和dynamic_cast实现。可以根据当前调用的指针是何种类型，经过dynamic_cast转换后，调用非虚函数。
  • dynamic_cast只能用于指针和引用的转换，要转换的类型中必须包含虚函数，转换成功返回子类的地址，失败返回NULL。
  • typeid返回一个type_info对象的引用。

构造函数不能是虚函数

  • 虚函数是通过虚函数表指针来调用的，而虚函数表指针存在对象内存空间。当一个对象调用构造函数时，该对象还没有实例化，即没有分配内存空间，所以虚函数表指针无法找到。

析构函数尽量是虚函数

  • 析构函数不是虚函数容易引起内存泄漏。
Animal *animal = new Cat();
  • 为了实现多态的动态绑定，通常将基类指针指向派生类对象。当指针销毁时，如果析构函数不是虚函数，根据析构函数在继承中的调用顺序，则派生类对象的析构函数将不会被执行，造成内存泄漏。

析构函数不能抛出异常

  • 析构函数抛异常，则异常点之后的的程序不会执行，如果异常点之后有释放资源的操作，则这部分资源无法释放，导致内存泄漏。noexcept

内存泄漏

  • 不再需要使用的内存单元，没有及时释放。
  • memcheck和valgrind检测内存泄漏的工具。
  • 使用RAII资源获取就是初始化和智能指针。

野指针

  • 一些内存的单元已被释放，之前指向它的指针还在被使用。

vector和list的区别

  1. vector是动态数组，在内存中分配一块连续的内存空间，因此可以使用下标进行快速的随机访问。但是删除和插入需要移动大量的元素。
  2. list是双向链表，在内存中是不连续的空间，由指针将不同的地址连接在一起。list的插入和删除操作都是O(1)的。
  3. 数组必须事先设定固定的长度，不能动态的增减，可能会造成资源浪费。链表可以动态的增减。

浅拷贝?

  • 由于编译器默认的拷贝构造函数只是简单的位拷贝，可能会导致内存的重复释放。解决浅拷贝的办法通常使用深拷贝，即自己实现拷贝构造函数，在堆上重新分配内存。

内存对齐

  • union最大成员所占的整数倍，同时能容纳其他的成员。union中变量共用内存，应以最长的为准。
  • struct按照成员的声明顺序，依次安排内存，偏移量为成员大小的整数倍，最后结构体的大小为最大成员所占大小的整数倍。在C++中，空结构体和空类的内存所占大小为1个字节。C中空结构体所占大小为0。
  • 为什么要有内存对齐：
    1. 硬件原因：加速CPU的访问速度。因为CPU和内存数据交换的基本单位是块，块的大小为2的n次方字节。内存未对齐可能需要多次访问内存。2. 平台原因：不是所有的平台都支持任意地址的数据访问。
#include <iostream>
using namespace std;
typedef union{
	long long i; //8 bytes 
	int k[5]; //4 bytes 最长的成员不是20  
	char c; // 1 byte 
}UDATE;
//联合体共用内存 最长成员为8字节 结果要为8的倍数 同时要能容纳其他成员，即大于等于20字节 所以为24字节 
struct data{
	int cat; // 4 bytes
	UDATE cow; //24 bytes 但是需要先拆开来 最长成员为8字节 
	double dog; //8 bytes 
}too;
//结构体顺序考虑，结果为最大成员的整数倍，如果后一个成员的长度的开始位置不是整数倍需要填充字节
//cat占4个字节 填充4个字节 
//起始位置为8 满足整数倍 cow占用24字节
//起始位置为32 满足整数倍 doule占用4字节
//所以结构体总共占用40字节，同时40也是8的倍数。 
UDATE temp;
int main(){
	cout<<sizeof(temp)<<" "<< sizeof(struct data)<<endl; //24 40 
	return 0;
}

volatile

  • 用来告诉编译器不要对该变量做任何优化，编译器每次操作该变量时，一定要从内存中取出，而不是使用寄存器中与存在的值，因为值可能已经发生了改变。

应用场景：

  1. 并行设备的硬件寄存器（如状态寄存器）。
  2. 多线程中共享变量。

mmu内存管理器

  • 主要作用：虚拟内存到物理内存的地址映射。 设置修改内存访问级别。

虚拟内存的作用

  1. 主存容量有限
  2. 分隔进程，保证进程空间彼此不受干扰
  3. 基于局部性原理进行页面替换

虚拟内存的大小由计算机的地址总线决定

cache名字和TLB命中没有必然联系，是两种独立的机制。

CPU和Cache之间交换的单位是字节，Cache和内存之间交换的单位是块。

coredump文件

  • gdb可以用于分析coredump文件。coredump文件含有进程被终止时内存/CPU寄存器和各种函数调用栈的信息。

  • 产生coredump文件的原因：

  1. 内存访问越界
  2. 多线程使用了线程不安全的函数
  3. 多线程读写的数据未加锁保护
  4. 栈溢出
  • core文件没有符号表信息，必须结合可执行文件才可调试

模板特化

  • 全特化：模板参数被指定未确定的类型

  • 偏特化：模板参数没有被全部确定，需要编译器在编译时进行确定。只能偏特化类模板，不能偏特化函数模板。

  • 别名模板和变量模板属于语法糖

元编程

  • 在编译时计算出运行时需要的常数，类型和代码的方法。

右值引用

  • 右值引用指向要被销毁的对象。右值要么是字面常量，要么是在表达式求值过程中创建的临时对象。

  • move函数将左值转换为右值，调用move函数后源对象只能赋值或销毁。

override

override在子类中标记某个函数，表示想要覆盖已有的虚函数，如果没有覆盖，编译器会报错。

加作用域运算符调用特定类的虚函数

内联函数的优劣

  1. 优点：减少函数调用的开销，包括寄存器值的保存和实参的拷贝等。
  2. 缺点：增加函数体积，可能导致cache装不下，从而减少了cache的命中率。

inline只是一个请求，编译器有权拒绝。

拷贝构造函数

调用场景：

  1. 一个对象以值传递传参
  2. 一个对象以值传递的方式从函数返回
  3. 一个对象通过另一个对象初始化

空类

  • 占有一个字节

  • 有构造，析构，拷贝，赋值运算符，取地址运算符。

  • 构造函数可以被重载，析构函数不可以被重载且不能带参数。

explicit

  • explicit取消隐式转换，类中构造函数默认是implicit

  • explicit关键字的作用是防止类构造哈桑农户的隐式自动转换，只对有一个参数的构造函数有效。

堆和栈的区别

  1. 栈连续，堆不一定连续。
  2. 申请方式不同。栈由操作系统自动分配，堆需要程序员自己申请。
  3. 生长方向不同。栈由高地址向地址生长，是一块连续的内存区域。堆由地址向高地址生长，是不连续的内存区域。在一个链表中记录空间内存地址。
  4. 分配速度。栈由系统分配，速度较快。堆使用new分配，速度较慢，且容易产生内部碎片。

static的作用

  • static可以用来修饰函数和变量。修饰全局变量和局部变量时都是放在静态区，static变量只初始化一次，在程序结束时销毁，全局和局部的区别在于作用域不同。static可以修饰普通成员函数，表明这个函数只在本文件中有效。static修饰类成员变量是，这些变量为这个类所共享，static修饰类成员函数时，也是所有对象共享这个函数，该函数中没有this指针。同时static类成员函数中只能调用static修饰的函数。

静态存储区

  1. 存放的static修饰的全局变量和局部变量，const修饰的变量以及字符串。

数据段和静态区的区别

  • 数据段存放的是代码的二进制指令。静态区是变量。

STL容器

  1. vector是动态数组，分配连续的内存，2倍扩容。
  2. list双向表，插入删除效率高。
  3. map和set红黑树，有序的容器。
  4. stack和queue底层可能都是数组实现
  5. unordered_map和unordered_set哈希表。
  6. array栈上分配的数组执行效率快。
  7. tuple元组多数据类型的集合。

快排

  1. 分治
  2. 递归
  3. 交换
  • 基于交换和分治的算法， 平均nlogn 最坏n平方

四次挥手

  • 主动关闭方发送FIN标志位，自身状态进入FIN_WAIT_1被动关闭方收到FIN后，发送ACK确认，自身进入CLOSE_WAIT状态，当主动关闭方收到ACK后，进入FIN_WAIT_2状态，此时主动关闭方只能接收数据，不能发送数据，因为TCP是全双工的，所以要等待被动关闭方关闭后才结束。此时进行了两次挥手，双方进入半关闭状态。当被动关闭方需要关闭时，发送FIN标志位，发出后自身状态进入LAST_ACK状态，如果对方收到FIN标志位后，发送ACK应答，自身进入TIME_WAIT状态，等待2MSL后关闭连接。等待的2MSL是报文在网络传输中一个来回的长度。确保最后一个ACK能被对方收到。

static关键字

  • static可以修饰普通函数变量和类成员函数和变量。
  1. static修饰普通变量时，分为全局变量和局部变量，两者都保存在静态区，并且只初始化一次，在整个程序运行期间一直存在。全局变量和局部变量的区别是作用域不同。
  2. static修饰普通函数时，说明此函数只在本文件中可见，防止多个文件的同名冲突。
  3. static修饰类中的成员变量时，必须在类中声明，在类外初始化，初始化的时候分配内存，所有的static成员变量为所有对象共享。
  4. static修饰类中的成员函数时，只能调用static的变量和函数，没有this指针，所有对象共享这个函数，可以使用类名直接调用。

变量分为全局变量和局部变量，static修饰全局变量时，表示这个变量只在本文件中可见

const关键字

const用于限定变量指针和函数不可改变，方便编译器做类型检查。

  1. cons修饰变量时必须初始化。const全局变量通常放在静态区，const局部变量放在栈区。
  2. const修饰成员函数时，函数中的成员变量不可更改，如果要修改成员变量需要声明为mutable
  3. const修饰指针有两种，常量指针和指针常量，常量指针是指针的指向的值不可改变，而指针的指向可以改变。指针常量是指向不可变，而值可变。

const和define的区别

  1. const明确指定类型，编译器对类型做检查，而define没有类型也不 检查。
  2. const分配内存，而define不分配。
  3. const在编译期处理，而define在预编译期进行宏替换。define的宏替换不加括号会产生严重的影响。

指针和引用的区别

  1. 指针保存的是所指对象的地址，而引用是所指对象的别名。指针通过解引用间接访问所指的对象，而引用直接访问。
  2. 指针可以有多级，而引用最多两级。当有两个取地址符时，是右值引用，右值引用可以减少深拷贝的次数。
  3. 指针定义时可以不初始化，即使初始化后也可以改变。而引用定义时必须初始化，初始化后不可以改变。
  4. 引用的本质是指针常量，编译器帮助转换。指针常量的指向不可以改变，值可以变。

define与内联函数的区别

  1. 内联函数是一个函数，在编译期插入到调用的地方，而define在预处理期进行替换。
  2. 内联函数避免了函数调用时的压栈和参数拷贝等操作，提高了性能。
  3. 内联函数对参数有类型检查。define不加括号容易出错。

new和malloc的区别

  1. malloc是库函数，new是运算符
  2. malloc只分配内存不初始化，而new不仅分配内存也初始化。new分配内存以后自动调用构造函数。
  3. malloc分配内存时必须指定内存大小，而new可以自动计算。malloc分配完成后返回的是void*类型，需要强转，而new返回的是对应类型的指针。
  4. malloc分配内存失败时返回NULL，而new分配内存失败时抛出bad_alloc异常。

文件处理三剑客

  1. grep文件查找
  2. awk按行查找
  3. sed按列查找

什么是socket

  • socket是linux文件的一种类型。socket通过绑定IP和端口可以实现再进程间通信。创建一个socket文件描述符指向两个缓冲区，所以可以实现全双工通信。

epoll的优势

  • 连接的文件描述符比较多，但是活跃的文件描述符比较少时，比select和poll效率更高。

epoll三个主要的函数：

  1. epoll_create()
  2. epoll_ctl()
  3. epoll_wait()

ET和LT的区别

  1. ET称为边沿触发，在调用epoll_wait函数监听的时候，如果有满足的事件，则该函数进行返回，返回值是满足监听事件的文件描述符数量。ET模式下，只会响应一次，即使部分文件描述符的事件没有进行处理。当发送接收缓冲区状态发生改变时，触发读写事件。边沿触发模式要求一直读写，直到读写完或者返回EAGAIN。
  2. LT称为水平触发，如果epoll_wait有满足条件的事件，会一直返回。增加了epoll_wait函数的调用次数。所以通常在并发服务器上，多使用ET模式。如果系统中有大量不需要读写的就绪文件描述符，而它每次都会返回，这样会大大降低检索自己关心的就绪文件描述符的效率。接收缓冲区不为空，有数据可读，读事件一直触发。发送缓冲区不为满，有数据可写，则写事件一直触发。

ET为什么要用非阻塞而不是阻塞

  1. 阻塞模式，程序在读取数据时无法知道什么时候读完，会一直阻塞在read函数上，即使已经读完了数据。
  2. 非阻塞模式，程序使用while循环读取数据，读完以后read会返回，errno被设置为EAGAIN。

五种网络IO模型

  1. 阻塞IO
  2. 非阻塞IO
  3. IO多路复用
  4. 信号驱动IO
  5. 异步IO

前4个都是同步IO。IO多路复用也是阻塞的，但是没有阻塞在send和recv上，而是阻塞在select，poll和epoll上。

  1. 同步：进程在数据由内核空间复制回进程缓冲区时不能干别的事。
  2. 异步：在数据准备完成，由内核缓冲区拷贝到进程缓冲区后通知进程，在等待通知的这段事件里，进程可以干别的事情。