C++ 基础知识总结（超详细整理）

C++基础知识总结（超详细整理）

1. C++语言核心特性

特性	描述	示例场景
面向对象（OOP）	支持类、继承、多态、封装，通过`class`关键字定义对象类型。	设计一个`Car`类，封装品牌、速度、加速方法
泛型编程（模板）	使用`template`可实现类型无关、可重用的算法和容器。	`template<typename T> T max(T a, T b)`
性能可控	支持手动内存管理和低级操作，可精细控制性能开销。	使用`new`/`delete`或RAII实现资源管理
兼容C语言	与C语言高度兼容，可调用C库函数，平滑迁移遗留C代码。	在C++中`#include <stdio.h>`并使用`printf`
标准库（STL）	提供容器、算法、迭代器等丰富组件，简化常见数据结构与算法实现。	使用`std::vector<int>`存储动态数组
RAII	通过对象构造/析构管理资源，避免泄漏。	`std::lock_guard<std::mutex>`管理互斥锁
多范式支持	支持过程式、面向对象、泛型、函数式编程风格。	使用`std::function`和lambda表达式
编译期检查与优化	模板和内联函数在编译期实例化和展开，可实现零开销抽象；编译器提供多种优化选项。	`inline`函数在调用处展开，消除函数调用开销

2. C++基本语法

2.1 标识符与关键字

标识符：字母、数字、下划线组合，且不能以数字开头；区分大小写；与关键字不冲突。
常用关键字示例：int, char, class, public, private, template, virtual, if, for, while, return。

2.2 注释

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// 单行注释
/* 多行注释
   可跨多行 */

2.3 基本数据类型

类型	大小（典型）	取值范围
`char`	1 byte	-128 ~ 127 或 0 ~ 255
`int`	4 bytes	-2^31 ~ 2^31-1
`short`	2 bytes	-2^15 ~ 2^15-1
`long`	8 bytes	-2^63 ~ 2^63-1
`float`	4 bytes	单精度浮点
`double`	8 bytes	双精度浮点
`bool`	1 byte	`true`/`false`

2.4 变量与常量

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int x = 10;                // 变量初始化
const double PI = 3.14159; // 常量声明

2.5 运算符

算术：+, -, *, /, %
关系：==, !=, <, >, <=, >=
逻辑：&&, ||, !
位运算：&, |, ^, ~, <<, >>
赋值：=, +=, -=, *=, /=, %=
其他：?:（三元）、sizeof、typeid

2.6 控制流

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if (a > b) {
    // ...
} else if (a == b) {
    // ...
} else {
    // ...
}

switch (c) {
    case 0: doA(); break;
    case 1: doB(); break;
    default: doDefault();
}

for (int i = 0; i < n; ++i) {
    // ...
}

while (cond) {
    // ...
}

do {
    // ...
} while (cond);

3. 指针与引用

3.1 指针

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int a = 5;
int* p = &a;   // p指向a
*p = 10;      // 通过指针修改a的值

nullptr表示空指针
指针算术：p + 1指向下一个同类型元素

3.2 引用

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int b = 20;
int& r = b;   // r是b的引用
r = 30;       // b变为30

引用必须初始化且不能重新绑定

4. 函数与重载

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int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 函数重载
double add(double a, double b) {
    return a + b;
}

默认参数：void f(int x = 0)
内联函数：inline int f() { return 0; }
递归函数：支持函数自己调用自身

5. 类与对象

5.1 类定义

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class Person {
public:
    Person(const std::string& name, int age)
        : name(name), age(age) {}
    void introduce() const {
        std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl;
    }
private:
    std::string name;
    int age;
};

5.2 继承与多态

cpp 复制代码

class Student : public Person {
public:
    Student(const std::string& n, int a, const std::string& sid)
        : Person(n, a), studentId(sid) {}
    void introduce() const override {
        Person::introduce();
        std::cout << "ID: " << studentId << std::endl;
    }
private:
    std::string studentId;
};

虚函数：virtual void func();
纯虚函数：virtual void func() = 0;
抽象类：包含至少一个纯虚函数

6. 模板与STL

6.1 函数模板

cpp 复制代码

template<typename T>
T Max(T a, T b) {
    return a > b ? a : b;
}

6.2 类模板

cpp 复制代码

template<typename T>
class Stack {
public:
    void push(const T& x) { data.push_back(x); }
    void pop() { data.pop_back(); }
private:
    std::vector<T> data;
};

6.3 常用STL容器

std::vector, std::list, std::deque
std::map, std::unordered_map, std::set
算法：std::sort, std::find, std::for_each

7. 内存管理与RAII

new / delete, new[] / delete[]
智能指针：std::unique_ptr, std::shared_ptr, std::weak_ptr
RAII：资源获取即初始化，依赖析构自动释放

8. 异常处理

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try {
    mayThrow();
} catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << e.what() << std::endl;
} catch (...) {
    std::cerr << "Unknown error" << std::endl;
}

9. 输入输出

cpp 复制代码

#include <iostream>
std::cout << "Hello" << std::endl;
std::cin >> x;

#include <fstream>
std::ifstream in("input.txt");
std::ofstream out("output.txt");

10. 编译与调试

常用命令：g++ -std=c++17 main.cpp -o app
调试：gdb, valgrind检测内存问题

C++基础知识练习（共30题）

包含选择题、判断题、填空题、简答题、编程题，并附参考答案与简要解析。

一、选择题（每题2分，共10分）

下列关于引用的说法正确的是：

A. 引用可以重新绑定到其他对象

B. 引用必须在定义时初始化

C. 引用可以为null

D. 引用大小不定

答案：B
解析：引用必须初始化且不可更改绑定对象。
下列哪个不是有效的C++标准类型？

A. long long

B. char16_t

C. byte

D. wchar_t

答案：C
解析：byte为C++17新增枚举类std::byte，但不是关键字类型。
表达式sizeof(int*)的结果通常是：

A. 4

B. 8

C. 1

D. 与平台相关

答案：D
解析：指针大小与平台和编译器有关。
下列容器中，不保证元素连续存储的是：

A. std::vector

B. std::deque

C. std::string

D. std::array

答案：B
解析：deque底层分块存储，不连续。
下列代码输出是什么？

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int x = 1;
std::cout << ++x << x++;

A. 12

B. 22

C. 未定义行为

D. 11

答案：C
解析：同一表达式中多次修改并读取无序，导致未定义行为。

二、判断题（每题1分，共5分）

序号	题目	正误
1	C++中，`virtual`关键字用于声明虚函数和实现多态。	✔
2	在栈上分配的对象需要手动调用`delete`释放。	✘
3	`std::unique_ptr`可被复制赋值。	✘
4	函数模板可以重载普通函数。	✔
5	`auto`关键字可用于变量类型推断。	✔

解析：

正确；

栈上对象自动析构；

unique_ptr不可拷贝；

模板与函数重载可共存；

auto启用编译器类型推断。

三、填空题（每题2分，共10分）

C++11新增的范围for循环语法为 ______。

答案：for (auto& x : container)
std::vector扩容时，通常是原容量的 ______ 倍。

答案：2
使用new[]分配的动态数组应使用 ______ 释放。

答案：delete[]
在类中，声明纯虚函数使用语法 ______。

答案：virtual void func() = 0;
std::map底层实现通常是红黑树，插入和查找平均时间复杂度为 ______。

答案：O(log n)

四、简答题（每题4分，共20分）

解释RAII的概念及其优点。
简述C++的三向绞接（Rule of Three/Five/Zero）。
比较std::vector与std::list的使用场景和性能特点。
描述虚函数表（vtable）如何支持运行时多态。
简述C++对象的内存布局（对象头、成员变量、对齐）。

五、编程题（每题5分，共25分）

实现函数countChars(const std::string& s)，统计字符串中各字符出现次数，返回std::unordered_map<char, int>。

cpp 复制代码

std::unordered_map<char,int> countChars(const std::string& s) {
    std::unordered_map<char,int> freq;
    for (char c : s) freq[c]++;
    return freq;
}

编写线程安全单例类Singleton，采用双重检查锁定。

cpp 复制代码

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static std::mutex mtx;
        if (!instance) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (!instance) instance = new Singleton();
        }
        return *instance;
    }
private:
    Singleton() {}
    static Singleton* instance;
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

写一个模板函数swapElements，交换任意容器中两元素。

cpp 复制代码

template<typename C>
void swapElements(C& container, size_t i, size_t j) {
    std::swap(container[i], container[j]);
}

实现一个简单的智能指针类UniquePtr<T>，支持析构时释放资源。

cpp 复制代码

template<typename T>
class UniquePtr {
public:
    explicit UniquePtr(T* ptr = nullptr) : ptr(ptr) {}
    ~UniquePtr() { delete ptr; }
    T& operator*() const { return *ptr; }
    T* operator->() const { return ptr; }
    // 禁止拷贝
    UniquePtr(const UniquePtr&) = delete;
    UniquePtr& operator=(const UniquePtr&) = delete;
private:
    T* ptr;
};

实现函数isPrime(int n)，判断素数，返回bool。

cpp 复制代码

bool isPrime(int n) {
    if (n < 2) return false;
    for (int i = 2; i*i <= n; ++i) {
        if (n % i == 0) return false;
    }
    return true;
}