C++ 面试模拟02

第一部分：基础知识

1. 什么是拷贝构造函数和赋值运算符？它们之间有什么区别？
2. 在 C++ 中，const 关键字的作用是什么？有哪些常见用法？
3. C++ 中的内存管理机制是怎样的？如何避免内存泄漏？
4. 虚函数（virtual function）的作用是什么？虚函数表（vtable）是如何工作的？

第二部分：面向对象编程

1. 什么是多态性？C++ 中如何实现运行时多态？
2. 请解释什么是继承以及继承的优缺点。
3. C++ 中的“菱形继承”是什么？如何通过虚继承来解决它带来的问题？
4. 什么是抽象类？抽象类与接口类有何不同？

第三部分：STL（标准模板库）

1. std::vector 和 std::list 有什么区别？它们各自的优点和缺点是什么？
2. 什么是迭代器？有哪些类型的迭代器？
3. std::map 和 std::unordered_map 的底层实现分别是什么？性能有何差异？
4. C++ 中的容器适配器有哪些？请举例说明。

第四部分：并发与多线程

1. C++ 中如何创建线程？有哪些常见的线程管理方式？
2. 什么是互斥锁（mutex）？如何避免死锁？
3. 解释一下条件变量（condition variable）的作用，并给出一个简单的使用例子。
4. 什么是线程局部存储（Thread Local Storage）？在 C++ 中如何使用？

第五部分：C++ 高级特性

1. 什么是移动语义？C++11 中如何实现移动构造函数与移动赋值运算符？
2. C++20 中的协程（coroutine）是什么？它们是如何工作的？
3. 模板元编程（Template Metaprogramming）是什么？在 C++ 中有哪些实际应用？
4. 什么是 SFINAE？在模板中如何利用 SFINAE 进行类型选择？

第六部分：现场编程

题目：

请你实现一个线程安全的计数器类 ThreadSafeCounter，它支持以下功能：

• increment()：计数器加 1
• decrement()：计数器减 1
• get()：返回当前计数器的值

要求：

• 使用 std::mutex 保证线程安全。
• 实现拷贝构造和赋值运算符重载。

第一部分：基础知识

1. 拷贝构造函数和赋值运算符的区别：

   • 拷贝构造函数：当用一个对象初始化另一个新对象时调用，用于对象的创建。
   • 赋值运算符：在已存在对象的基础上，将另一个对象的内容赋值给它。
   • 区别：拷贝构造函数是在对象初始化时调用的，赋值运算符则在对象已经创建后进行赋值。

2. const 关键字的作用：

   • 修饰变量：表示该变量的值不能修改。
   • 修饰指针：区分指针本身是否可变和指向的对象是否可变。
   • 修饰成员函数：表示该成员函数不会修改类的成员变量。

3. 内存管理：

   • C++ 使用动态分配（new/delete）、栈分配以及 RAII（资源获取即初始化）来管理内存。
   • 避免内存泄漏的方法包括使用智能指针（如 std::shared_ptr 和 std::unique_ptr）。

4. 虚函数和 vtable：

   • 虚函数：用于实现运行时多态，基类中标记为 virtual 的函数可以在派生类中被重写。
   • 虚函数表（vtable）：编译器为包含虚函数的类创建一个表，指向虚函数的地址，保证在运行时能够调用正确的函数。

第二部分：面向对象编程

1. 多态性：

   • C++ 中通过虚函数实现运行时多态。基类的虚函数可以在派生类中重写，通过基类指针或引用调用时，动态地选择合适的派生类实现。

2. 继承：

   • 优点：允许代码重用和扩展基类功能。
   • 缺点：不当的使用可能导致强耦合，难以维护。

3. 菱形继承和虚继承：

   • 菱形继承：如果一个类从多个基类继承，而这些基类又继承自同一祖先类，会导致多个基类有相同的祖先成员。
   • 虚继承：通过 virtual 继承，确保继承链中的祖先类只会有一份副本。

4. 抽象类：

   • 抽象类：至少包含一个纯虚函数（= 0 的函数）。不能实例化，只能被继承。
   • 接口类：所有成员函数都为纯虚函数。

第三部分：STL

1. std::vector 和 std::list 区别：

   • std::vector：基于动态数组，支持随机访问，插入/删除代价高（中间位置）。
   • std::list：基于双向链表，不支持随机访问，插入/删除较快。
   • 优缺点：vector 适合频繁随机访问，list 适合频繁插入/删除。

2. 迭代器的类型：

   • 输入迭代器、输出迭代器、前向迭代器、双向迭代器、随机访问迭代器。

3. std::map vs std::unordered_map：

   • std::map：基于红黑树（有序），O(log n) 查找。
   • std::unordered_map：基于哈希表（无序），O(1) 平均查找，但最坏情况 O(n)。

4. 容器适配器：

   • 包括 std::stack、std::queue、std::priority_queue，它们通过封装其他容器（如 deque、list）实现特定的行为。

第四部分：并发与多线程

1. 线程的创建：

   • 使用 std::thread 创建线程：

std::thread t([] { std::cout << "Thread is running"; });
t.join();  // 等待线程结束

• 互斥锁（mutex）与死锁：

  • 互斥锁：std::mutex 用于保护共享资源避免数据竞争。通过 std::lock_guard 或 std::unique_lock 自动管理锁。
  • 避免死锁：使用相同顺序加锁，或者使用 std::lock() 同时加锁多个资源。

• 条件变量：

  • 用于线程间同步，等待特定条件：

std::condition_variable cv;
std::mutex mtx;
bool ready = false;
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [&ready] { return ready; });

线程局部存储：

• 使用 thread_local 关键字为每个线程定义独立的存储空间：

thread_local int x = 0;  // 每个线程都有自己独立的 x 变量

第五部分：C++ 高级特性

1. 移动语义：

   • 移动语义通过 移动构造函数 和 移动赋值运算符 避免不必要的深拷贝，使用 std::move 来将对象转化为右值引用，从而实现资源的转移而不是复制。

2. C++20 协程：

   • 协程通过 co_await、co_yield、co_return 实现协程的控制流，用来处理异步任务和生成器。
   • 使用例：

std::future<int> asyncAdd(int a, int b) {
    co_return a + b;
}

• 模板元编程：

  • 通过模板递归和模板特化实现编译期计算。常见应用包括类型萃取（type traits）和元函数。

• SFINAE：

  • 在模板中，"Substitution Failure Is Not An Error" 规则允许在匹配失败时尝试其他模板。常用于限制模板特化。

template<typename T>
std::enable_if_t<std::is_integral<T>::value, T> add(T a, T b) { return a + b; }

第六部分：现场编程

#include <iostream>
#include <mutex>

class ThreadSafeCounter {
private:
    int counter;
    std::mutex mtx;

public:
    ThreadSafeCounter() : counter(0) {}

    // 增加计数
    void increment() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ++counter;
    }

    // 减少计数
    void decrement() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        --counter;
    }

    // 获取当前计数
    int get() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        return counter;
    }

    // 拷贝构造函数
    ThreadSafeCounter(const ThreadSafeCounter& other) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(other.mtx);
        counter = other.counter;
    }

    // 赋值运算符
    ThreadSafeCounter& operator=(const ThreadSafeCounter& other) {
        if (this != &other) {
            std::lock_guard<std::mutex> lockThis(mtx);
            std::lock_guard<std::mutex> lockOther(other.mtx);
            counter = other.counter;
        }
        return *this;
    }
};