C++经典面试题目（十三）

1. 一个指针占用多少字节？

在C++中，一个指针的大小通常取决于底层系统的架构和编译器。对于32位系统，指针通常占用4个字节（32位）；对于64位系统，指针通常占用8个字节（64位）。这是因为指针是用来存储内存地址的，其大小需要足够大以容纳系统的最大内存地址。

然而，这并不是绝对的。某些特殊的硬件架构或编译器设置可能会导致指针的大小有所不同。但在大多数现代系统和编译器中，上述规则是适用的。

如果你想要确定在特定系统和编译器下指针的大小，你可以使用sizeof运算符。例如：

#include <iostream>int main() {std::cout << "Size of pointer: " << sizeof(int*) << " bytes" << std::endl;return 0;
}

这段代码会输出在你的系统和编译器下int*类型指针的大小（以字节为单位）。注意，这里的int*只是一个例子，你可以替换为任何类型的指针（例如char*、double*等），它们的大小在相同的系统和编译器下应该是相同的。

2. 什么是智能指针？智能指针有什么作用？分为哪几种？各自有什么样的特点？

智能指针是C++中的一种用于自动管理动态分配内存的机制。在C++中，动态分配的内存（通过new操作符）在不再需要时，应该通过delete操作符来释放，以避免内存泄漏。然而，手动管理内存可能会很复杂，容易出错。智能指针则提供了一种更安全、更便捷的方式来管理动态内存。

智能指针的主要作用包括：

1. 自动管理内存：智能指针可以在不再需要时自动删除所指向的对象，从而防止内存泄漏。
2. 安全性：使用智能指针可以减少由于忘记调用delete或多次调用delete导致的错误。
3. 简化代码：使用智能指针可以使代码更简洁，减少手动管理内存的复杂性。

C++中主要有以下几种智能指针：

1. std::unique_ptr：独占式智能指针，表示动态分配的对象只能由一个unique_ptr拥有。当unique_ptr被销毁（例如离开作用域）时，它所指向的对象也会被自动删除。unique_ptr不可复制，但可移动，这有助于防止同一对象被多个unique_ptr同时拥有。
2. std::shared_ptr：共享式智能指针，允许多个shared_ptr共享同一个对象的所有权。当最后一个指向对象的shared_ptr被销毁或重置时，对象才会被删除。shared_ptr通过引用计数来实现这一功能。
3. std::weak_ptr：弱引用智能指针，是对shared_ptr所管理对象的一个非拥有性引用。weak_ptr不控制所指向对象的生命周期，它的存在不会延长对象的生命周期。它主要用于解决shared_ptr之间的循环引用问题。
4. std::auto_ptr（已弃用）：在早期版本的C++标准库中，auto_ptr是一个简单的独占式智能指针。但由于其转移语义可能导致意外的行为，因此在C++11中已被弃用，推荐使用unique_ptr替代。

每种智能指针都有其特定的使用场景和优缺点，应根据实际需求选择合适的智能指针。例如，当确定一个对象只能被一个智能指针拥有时，应使用unique_ptr；当需要多个智能指针共享同一个对象时，应使用shared_ptr；当需要解决循环引用问题时，可以使用weak_ptr。

3. shared_ptr是如何实现的？

std::shared_ptr 是 C++11 标准库中的一个智能指针，它用于实现共享所有权的内存管理。多个 shared_ptr 实例可以指向同一个对象，并且当最后一个指向该对象的 shared_ptr 被销毁或重置时，该对象会被自动删除。这种自动内存管理的特性可以帮助避免内存泄漏和相关的错误。

std::shared_ptr 的实现通常涉及以下关键组件：

1. 引用计数：每个 shared_ptr 实例内部维护一个指向控制块的指针，该控制块通常包含一个引用计数和一个指向所管理对象的指针。引用计数用于跟踪当前有多少个 shared_ptr 实例指向同一个对象。当创建新的 shared_ptr 或通过拷贝/赋值操作增加引用时，引用计数递增；当 shared_ptr 被销毁或重置时，引用计数递减。

2. 控制块：控制块通常包含引用计数和所管理对象的原始指针。在某些实现中，控制块还可能包含自定义删除器（deleter）和分配器（allocator），用于定义如何删除对象和分配内存。

3. 拷贝构造函数和赋值运算符：shared_ptr 的拷贝构造函数和赋值运算符会递增控制块中的引用计数，并将内部指针指向同一个控制块。这样，新的 shared_ptr 实例和原始实例将共享同一个对象的所有权。

4. 析构函数：当 shared_ptr 的实例被销毁时（例如，离开作用域），它的析构函数会递减控制块中的引用计数。如果引用计数变为零，说明没有其他的 shared_ptr 实例指向该对象，此时控制块中的删除器（通常是 delete 运算符）会被调用，释放所管理对象的内存。

5. 自定义删除器和分配器：shared_ptr 允许用户提供自定义的删除器和分配器，以便在删除对象和分配内存时使用特定的逻辑。这提供了更大的灵活性，特别是在处理资源释放和内存管理的特殊需求时。

6. 线程安全：在多线程环境中，shared_ptr 的实现必须确保引用计数的操作是线程安全的。这通常通过使用原子操作或互斥锁来实现。

下面是一个简化的 shared_ptr 实现示例，用于说明其基本原理：

template<typename T>
class shared_ptr {
private:struct control_block {T* ptr;std::size_t use_count;control_block(T* p) : ptr(p), use_count(1) {}~control_block() { delete ptr; }};control_block* ctrl_block;public:shared_ptr(T* p) : ctrl_block(new control_block(p)) {}shared_ptr(const shared_ptr& other) : ctrl_block(other.ctrl_block) {++ctrl_block->use_count;}~shared_ptr() {if (--ctrl_block->use_count == 0) {delete ctrl_block;}}// ... 其他成员函数，如赋值运算符、访问和比较操作等 ...
};

这个示例是一个简化的 shared_ptr 实现，用于教学目的。实际的 std::shared_ptr 实现要复杂得多，并包含更多的优化和特性。例如，它可能使用引用计数优化技术（如引用计数合并和延迟删除），以减少不必要的内存分配和释放操作。此外，它还需要处理各种异常安全性和线程安全的问题。

4. 右值引用有什么作用？

C++中的右值引用（rvalue reference）是C++11引入的一个重要特性，它主要用于支持移动语义和完美转发，从而提高程序的性能和灵活性。右值引用通过&&符号表示，可以用来绑定到临时对象（右值），从而实现一些在之前版本中无法实现的功能。

右值引用的主要作用包括：

1. 移动语义（Move Semantics）：
   在C++11之前，当我们传递或返回大型对象（如字符串、容器等）时，通常会发生深拷贝，这可能导致不必要的性能开销。移动语义允许我们避免这种深拷贝，而是将资源的所有权从一个对象“移动”到另一个对象。这通常通过编写一个特殊的成员函数（移动构造函数和移动赋值运算符）来实现，这些函数接受一个右值引用参数。这样，当对象不再需要时（例如，临时对象或即将被销毁的对象），我们可以“移动”其资源到另一个对象，而不是进行昂贵的深拷贝。

2. 完美转发（Perfect Forwarding）：
   完美转发允许函数模板将其参数完好无损地转发给另一个函数，包括参数的左值/右值属性和类型。这通过使用右值引用和std::forward函数实现。完美转发在编写通用包装器、代理或转发函数时非常有用，它确保了原始参数的属性和类型在转发过程中得到保留。

3. 优化资源管理：
   通过利用移动语义，我们可以更有效地管理资源，如动态分配的内存、文件句柄等。当对象不再需要时，我们可以将其资源“移动”到另一个对象，而不是立即释放它们。这有助于减少不必要的内存分配和释放操作，从而提高程序的性能。

4. 避免不必要的拷贝：
   在某些情况下，我们可以利用右值引用来避免不必要的对象拷贝。例如，当我们从函数返回一个局部对象时，如果该对象具有移动构造函数，则编译器可以选择使用移动构造而不是拷贝构造来创建返回的对象。这可以显著提高性能，特别是当处理大型对象时。

总的来说，右值引用是C++11引入的一个重要特性，它使得程序员能够更高效地管理资源和提高程序的性能。通过利用移动语义和完美转发，我们可以编写出更加灵活和高效的代码。

5. 悬挂指针与野指针有什么区别？

悬挂指针和野指针是编程中常见的两种错误指针类型，它们的主要区别体现在指针所指向的内存状态以及可能导致的后果上。

悬挂指针（Dangling Pointer）是指一个指针仍然保留着之前指向的内存地址，但是这片内存区域可能已经被释放或者不再有效。这通常发生在以下几种情况：当使用delete或free函数释放一个动态分配的内存块后，指向这片内存的指针仍然保留着原先的地址；或者一个指针指向了一个函数的局部变量，而该函数执行完毕后，局部变量的生存期结束，指针就会变成悬挂指针。悬挂指针可能导致程序不稳定、崩溃或产生难以预测的结果，因为使用悬挂指针实际上就是在访问无效的内存区域。

而野指针（Wild Pointer）是指向未知的内存地址的指针。这通常是因为指针在定义时未被初始化，其值是随机的，指向了一个不确定的地址。野指针主要是因为疏忽而出现的，例如删除或申请访问受限内存区域的指针。使用野指针可能导致程序访问到一个随机的、不正确的或没有明确限制的内存地址，其结果是不可预测的。

为了避免悬挂指针和野指针的问题，程序员可以采取一些预防措施，如在指针被释放后及时将其赋值为NULL或nullptr，以及在声明指针时进行初始化。此外，使用智能指针（如std::shared_ptr和std::unique_ptr）可以有效地避免悬挂指针和野指针的问题，因为它们能够自动管理内存的生命周期。

总的来说，悬挂指针和野指针都是编程中需要警惕和避免的错误类型，但它们的产生原因和可能导致的后果有所不同。了解并正确处理这两种指针问题，有助于提高程序的稳定性和可靠性。