2023最新高级难度C++面试题,包含答案。刷题必备！记录一下。

好记性不如烂笔头

内容来自 面试宝典-高级难度C++面试题合集

问: 详细解释一下C++中的虚继承(virtual inheritance)的概念及其应用场景。

虚继承是一种特殊的继承方式，用于解决多重继承中可能出现的菱形继承问题。菱形继承会导致基类被复制多次，占用额外的内存，并可能导致数据混乱和二义性。

虚继承的基本语法如下：

class Base {
public:
    virtual void f();
};
class Derived1 : virtual public Base {
public:
    void g();
};
class Derived2 : virtual public Base {
public:
    void h();
};
class Derived: public Derived1, public Derived2 {};

在上面的例子中，“Derived”类有两个间接基类“Base”，如果没有使用虚拟继承，则会出现菱形继承的情况。而使用虚继承后，“Base”的成员只会被复制一次。

虚继承的应用场景主要是多继承的情况，尤其是在有多层继承并且需要继承自同一基类时。使用虚继承可以避免数据重复和混乱，提高程序的效率和可维护性。

然而，虚继承也有一定的缺点，比如增加了程序的复杂性，可能会影响程序的性能。因此，在使用虚继承时需要慎重考虑。

问: 介绍一种你熟悉的C++数据结构，如红黑树、B树等，并描述其具体实现和应用场景。

我熟悉的数据结构是哈希表(hash table)，它是用于存储键值对的数据结构，其特点是可以通过哈希函数快速检索数据。

哈希表的基本实现原理是通过哈希函数把键转换成唯一的哈希码，并将其映射到一个固定大小的数组中，从而可以在O(1)的时间复杂度内完成插入、查找等操作。

哈希表的具体实现过程如下：

1. 首先要确定哈希函数和负载因子（装载因子）。哈希函数的选择关系到哈希表的整体性能，而负载因子则决定了何时进行扩容。
2. 初始化哈希表的大小，并将所有元素存入表中。
3. 当查找元素时，使用哈希函数计算出索引，并检查相应的位置是否存在元素。
4. 如果存在，则返回该元素；否则，返回空。

哈希表的应用场景非常广泛，如数据库查询、缓存、文本搜索等。由于其高效的数据访问特性，哈希表在许多高性能系统中都得到广泛应用。

问: 解释一下C++中的字面量类型(literal types)的概念及其应用场景。

字面量类型是在C++11引入的一种新型模板类，用于表示编译时常数表达式。它是一种具有特定数值或字符串的常量表达式的类型，并且可以进行整型提升或浮点提升。
应用场景：

1. 字面值缓存优化性能：当某个值被频繁计算时，可以通过将计算结果存储在一个字面量类型的变量中来进行缓存，从而提高程序性能。
2. 允许使用某些特定模板：例如std::integral_constant和std::true_type, 这些模板需要字面量作为参数。
3. 函数重载：根据传入参数的不同，选择不同的实现方式。例如，对于vector这样的容器来说，插入元素时就可以利用字面量类型选择合适的版本。

请注意以上内容来自于我的知识库，并且该知识库最后更新时间为2023年7月10日，部分内容可能存在滞后或不准确的情况。

问: 详细解释一下C++中的引用计数(reference counting)技术及其应用场景。

引用计数是一种计算机编程技术，用于追踪共享资源（如内存、数据库连接等）的使用情况。每当一个新的对象引用了这个资源时，引用计数就会增加；而当对象不再使用这个资源时，引用计数就会减少。当引用计数变为零时，系统会知道这个资源已经不再被任何对象所使用，因此可以安全地释放它以节省内存。
在C++中，可以使用标准库中的智能指针（如shared_ptr和weak_ptr）来实现引用计数。这些智能指针会在其析构时自动减少引用计数，从而避免了内存泄漏等问题的发生。
应用场景：

1. 资源管理：可以用来管理任何需要手动分配和释放的资源，包括但不限于文件、数据库连接、网络套接字等等。
2. 智能指针：在C++标准库中，智能指针如shared_ptr、unique_ptr就是基于引用计数技术实现的。
3. 动态数组或者集合类等需要动态调整大小的数据结构。

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问: 介绍一种你熟悉的C++内存管理工具，如智能指针、内存池等，并描述其应用场景。

我熟悉的是智能指针。智能指针是一种特殊的指针，它可以自动管理其所指向的对象的生命周期。也就是说，当智能指针销毁时，它所指向的对象也会随之被销毁，这有效地防止了内存泄漏的问题。
智能指针通常有两种类型：独占所有权（exclusive ownership）的智能指针和共享所有权（shared ownership）的智能指针。前者在任何时候只有一个拥有者，后者则可以同时由多个对象拥有。C++标准库提供了两种智能指针：std::unique_ptr和std::shared_ptr。
应用场景：

1. 资源管理：智能指针可以帮助程序员更方便地管理资源，特别是那些需要显式删除的对象。
2. 防止内存泄漏：智能指针可以在析构函数中自动释放其持有的资源，有效防止了内存泄漏的问题。
3. 异常安全性：在异常安全方面，智能指针比普通指针更有优势，因为它们总能在适当的时候清理资源。

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问: 解释一下C++中的模块化(modularity)设计原则及其应用场景。

模块化设计原则是指在设计程序的过程中遵循的一个重要准则。它的核心思想是将一个复杂的程序分解成一系列相对独立但又相互关联的部分——即模块。每个模块都有明确的功能职责，并通过接口与其他模块进行通信。
这种设计原则的好处是可以使程序更容易理解和维护，并有助于提高代码的复用性。此外，由于各个模块之间的依赖关系清晰，因此修改某一部分不会对其他部分产生影响，从而提高了软件的可靠性。
应用场景：

1. 大型项目开发：在大型项目中，模块化的架构使得团队成员可以分工协作，各自负责不同的模块，大大提高了项目的开发效率。
2. 应用框架和库的设计：大多数应用框架和库都采用了模块化的设计原则，比如Qt和Boost等。
3. 测试和调试：模块化的程序更易于测试和调试，因为每个模块都可以单独进行测试和调试。

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问: 详细介绍C++中的C++17新特性，并举例说明其应用场景。

C++17是C++语言的一个重大升级，包含了许多新的特性和改进。以下是其中一些重要的新特性：

• 常规模板参数（template argument deduction for regular functions）
• 使用auto关键字定义变量的新方法（new ways to define variables with the auto keyword）
• 直接列表初始化（direct list initialization）
• std::any类型（std::any type）
• string_view类型（string_view type）
• 并行算法（parallel algorithms）
• 文件系统库（filesystem library）
• 空表达式支持（support for empty expressions）
• 包含折叠（fold expressions）
• 对象生命周期终结器（object lifetime terminators）

举例说明：

• std::any类型可以用于保存任意类型的数据。这对于处理多态性或者未知类型的数据非常有用。例如，在一个接受用户输入的函数中，你可以使用std::any来保存用户的输入数据，然后在后续的处理过程中决定如何解析和使用这些数据。
• string_view类型是一个轻量级的字符串类型，它并不持有自己的字符数组，而是引用现有的字符串数据。这使得它非常适合用于在字符串上执行各种操作，而无需复制整个字符串。例如，你可以使用string_view来快速查找字符串中的子串，或者比较两个字符串是否相等。
• parallel algorithms是一组并行算法，可用于加速数据的处理速度。例如，如果你有一个很大的数组需要排序，你可以使用std::sort函数，并指定execution_policy参数为par，这样就可以使用多个线程来并行排序数组，大大提高排序的速度。

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问: 解释一下C++中的内联函数(inlining)和内联汇编(inline assembly)的概念及其应用场景。

内联函数（inlining）是指在编译时直接替换函数调用的地方为函数体。这种方法能够加快函数调用的速度，因为它消除了函数调用的开销。但是，过多的内联可能会导致生成的代码体积过大，所以一般来说只有当函数很小且经常被调用的情况下才适合使用内联函数。
内联汇编（inline assembly）是在C++代码中嵌入汇编代码的一种方式。这种方式可以让程序员直接控制CPU指令的执行，从而获得更高的性能和更低的延迟。但是，内联汇编可能会影响代码的可读性和可移植性，因此一般只在确实需要优化的关键路径上使用。
应用场景：

• 内联函数：适用于小而常用的函数，尤其是那些带有模板参数的函数。
• 内联汇编：适用于需要高效访问硬件寄存器或者需要进行特殊操作（如循环展开、条件跳转等）的情况。

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问: 介绍一种你熟悉的C++调试技巧，如断点设置、日志记录等，并描述其应用场景。

我熟悉的是使用gdb进行单步调试。gdb是一个强大的源代码级调试工具，可以让我们逐行运行代码，查看变量的当前值，跟踪函数调用过程等。以下是一些基本的操作步骤：

1. 在需要断点的位置添加断点语句，如下所示：

int main() {
    int x = 5;
    // 设置断点
    gdb_set_breakpoint_here();
    // 继续执行
    return 0;
}

2. 使用gdb启动你的程序，如下所示：

gdb ./my_program

然后就可以在gdb提示符下输入命令进行调试了。例如，我们可以使用next命令逐行执行代码，使用print命令查看变量的当前值，使用backtrace命令查看函数调用栈等等。
应用场景：

• 单步调试：当你遇到了问题，但不知道问题出在哪里时，可以使用gdb逐行执行代码，观察变量的变化以及函数调用的过程，以便找出问题的原因。
• 调试复杂逻辑：对于一些复杂的逻辑，使用gdb可以让你更加直观地看到代码的执行流程，帮助你理解代码的工作原理。

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问: 解释一下C++中的内存对齐(memory alignment)的概念及其应用场景。

内存对齐是指为了提高处理器访问内存的效率而对数据在内存中的布局方式进行的规范。具体来说，内存对齐要求数据成员必须按照一定的规则在内存中对齐，通常是按照它们的大小或者是其倍数进行对齐。这样做的好处是减少了CPU访问内存的时间，从而提高程序的运行效率。
应用场景：

• 减少内存碎片：通过内存对齐，可以确保结构体或类中的数据成员按照规则排列，避免因为数据成员的大小不一致而导致的内存碎片。
• 提高数据访问速度：CPU把内存看作一块一块的，块的大小可以是2、4、8、16个字节。通过对齐可以确保数据位于边界上，这样CPU在读取内存的时候就可以一次性读取一个块，而不是跨过多个块去读取数据。
• 有利于平台移植：不是所有硬件平台都能访问到任意地址上的任意数据，在嵌入式系统中，某些硬件只能在某些特定地址处取特定类型的数据，否则就会抛出异常，从而危及系统的安全性和稳定性。在这种情况下，内存对齐显然利于平台移植。

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