【C++八股文】基础知识篇

一、内存与变量特性

1.1 volatile 关键字

​核心作用​

• 强制编译器每次访问变量时从内存读取，禁止寄存器缓存优化
• 适用场景：
  • 硬件寄存器交互（如状态寄存器）
  • 多线程共享变量（需配合互斥锁使用）
  • 信号处理函数与中断服务例程
    实现原理

volatile int* hardware_reg = (volatile int*)0x4000; // 内存映射I/O
*hardware_reg = 0x01; // 每次操作直接访问物理内存

1.2 const 关键字

​多维应用​

修饰对象	行为特性	存储位置
全局变量	只读，存储于静态区	静态数据区
局部变量	块内只读，存储于栈区	栈区
成员函数	禁止修改对象状态（需mutable修饰可变成员）	代码段
指针组合	const int*（数据不可变） vs int* const（指针不可变）	指针存储区

​与#define对比

// const版本（类型安全，作用域可控）
const int MAX_LEN = 100;

// #define版本（无类型检查，易产生宏污染）
#define MAX_LEN 100

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二、函数与代码优化

2.1 内联函数 vs 宏定义

​特性对比表​

特性	内联函数	宏定义
展开阶段	编译期	预处理期
类型检查	支持	不支持
调试支持	可调试	不可调试
作用域	遵循C++作用域规则	全局污染
代码膨胀风险	编译器可控制	必然展开

​最佳实践

// 推荐内联实现
inline int square(int x) { return x*x; }

// 避免复杂宏
#define SQUARE(x) ((x)*(x)) // 易引发副作用

2.2 static 关键字

​多场景应用

// 静态局部变量（保持状态）
void counter() {
    static int count = 0; // 仅初始化一次
    ++count;
}

// 静态成员变量（类共享）
class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // 线程安全（C++11）
        return instance;
    }
private:
    static int count; // 静态数据成员
};

三、内存管理机制

3.1 new/delete vs malloc/free

​对比维度​

特性	new/delete	malloc/free
类型安全	类型检查，自动计算大小	需手动计算，类型转换
构造/析构	自动调用构造/析构函数	不执行
错误处理	抛出bad_alloc异常	返回NULL
重载支持	支持运算符重载	不支持

​代码示例

// 智能内存管理
int* arr = new int[10](); // 值初始化
delete[] arr;

// 传统C风格分配
int* raw = (int*)malloc(10*sizeof(int));
free(raw);

四、面向对象特性

4.1 多态实现机制

​动态多态实现流程

虚函数表结构​

虚函数索引	函数地址
0	Base::vfunc1()
1	Derived::vfunc2()

4.2 拷贝控制

​三/五法则应用

class ResourceHolder {
public:
    ResourceHolder() = default;
    ~ResourceHolder() = default;
    
    // 禁用拷贝构造和赋值
    ResourceHolder(const ResourceHolder&) = delete;
    ResourceHolder& operator=(const ResourceHolder&) = delete;
    
    // 移动语义
    ResourceHolder(ResourceHolder&&) noexcept = default;
    ResourceHolder& operator=(ResourceHolder&&) noexcept = default;
};

五、并发与系统编程

5.1 线程同步机制

​同步原语对比​

类型	实现方式	适用场景
互斥锁	临界区保护	共享资源访问
读写锁	读优先/写优先策略	读多写少场景
条件变量	线程间通信	生产者-消费者模型
信号量	计数器控制	资源池管理

5.2 进程间通信

​IPC方式对比​

方式	特点	适用场景
管道	流式传输，单工/半双工	进程间数据流传输
消息队列	消息结构化，异步通信	分布式系统组件交互
共享内存	零拷贝，高性能	大数据量实时交换
套接字	跨网络通信，协议支持	分布式服务通信

---

六、进阶特性解析

6.1 右值引用与移动语义

​移动构造函数实现

class Movable {
public:
    Movable(Movable&& other) noexcept 
        : data_(std::move(other.data_)) {
        other.data_ = nullptr;
    }
private:
    std::unique_ptr<int> data_;
};

6.2 模板元编程

​编译期计算示例

template<int N>
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial<N-1>::value;
};

template<>
struct Factorial<0> {
    static const int value = 1;
};

// 编译期计算5!
constexpr int result = Factorial<5>::value; 

七、网络与协议

7.1 TCP与UDP对比

特性	TCP	UDP
连接类型	面向连接	无连接
可靠性	确认机制+重传	尽力而为
传输效率	较低（握手/确认）	高
应用场景	文件传输、Web	实时音视频、DNS查询

7.2 HTTP/HTTPS差异

​安全增强机制

八、数据结构与算法

8.1 B树与B+树

​结构对比​

特性	B树	B+树
数据存储	内部节点存储数据	仅叶子节点存储数据
查询效率	稳定O(log n)	更优范围查询
磁盘I/O	每层节点访问	仅需叶子节点遍历

8.2 快速排序优化

​三数取中法实现

int partition(vector<int>& arr, int low, int high) {
    // 选取枢轴值
    int mid = low + (high - low)/2;
    if (arr[mid] < arr[low]) swap(arr[mid], arr[low]);
    if (arr[high] < arr[low]) swap(arr[high], arr[low]);
    if (arr[mid] < arr[high]) swap(arr[mid], arr[high]);
    
    int pivot = arr[high];
    // 分区操作...
}

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