C++ 核心知识点全解析（七）

tod1132026-02-25 10:28

1. C++ 中 deque 的原理？它内部是如何实现的？

deque，double-ended queue，是个双端队列，是一个STL容器，通过deque，我们在两端都能高效地插入和删除元素。

它内部的实现依靠一个分段连续的内存结构，而不是类似vector的单一连续块，因此在头部插入和删除操作的时间复杂度是O(1)，更高效。

扩展知识：

deque的内部实现原理相比vector复杂很多:

1. 分段存储结构：

deque采用分段存储的方式。具体来说，它不是像vector一样直接分配一大块连续内存，而是分配若干小块的连续内存，并用一个映射表(类似指针数组)来管理这些小块内存。这种方式的好处在于，不需要频繁的内存拷贝和移动，尤其在头部插入或删除元素时。

2. 中央控制块：

deque有一个中央控制块，称为"map"或"指针数组"。这个数组的每个元素是指向一块子内存的指针，这些内存块称为"缓冲区"(buffer)。deque利用这个数组来记录所有的缓冲区，从而可以灵活管理内存。

3. 双端操作:

由于deque是双端队列，因此它提供了高效的头尾插入和删除操作。这些操作之所以高效，主要是中央控制块的设计：插入和删除元素时，仅需在这些小块内存上进行操作，而不需要像 vector那样在整个数组上操作。

4. 内存增长机制:

当 deque需要更多空间时，它会分配新的缓冲区，并更新中央控制块。与vector不同的是，当 deque扩展时，不需要移动现有的元素，因为每个缓冲区已经是独立分布的，小块内存的重新分配和地址调整在控制块中完成。

5. 缓存局部性（Cache Locality）：

Deque 的分段存储结构可能影响缓存局部性，因为数据并不是存储在一块连续的内存中。当频繁访问大量元素时，它在缓存命中率方面不如vector，但是在插入和删除方面更加灵活和高效。

如果你既需要数组下标访问又需要在任意位置插入和删除，可以考虑使用deque。如果你只是在尾部插入删除，且大量下标访问元素，可以考虑使用vector。

2. C++ 中 map 和 unordered_map 的区别？分别在什么场景下使用？

两者都是常用的关联容器。但有一些区别：

1. 底层实现:

  • map：基于有序的红黑树(具体实现依赖于标准库)。

  • unordered_map：基于哈希表。

2. 时间复杂度:

  • map：插入、删除、查找的时间复杂度为O(logn)。

  • unordered_map：插入、删除、查找的时间复杂度为O(1)（摊销）.

3. 元素顺序:

  • map：元素按键值有序排列。

  • unordered_map：元素无序排列。

4. 内存使用:

  • map：由于底层是红黑树，内存使用较少。

  • unordered_map：需要额外的空间存储哈希表，但在处理大量数据时，可能具有更好的表现。

场景选择

  1. map：当需要按键值有序访问元素时，适合使用map，例如按顺序遍历键值对。

  2. unordered_map：当主要关注查找速度、不关心元素顺序时，使用 unordered_map会更高效，例如需要高效的键值存储和快速查找的场景。

3. C++ 中 list 的使用场景

数组和链表的区别想必大家都知道，而list就是双向链表。它适用于频繁插入和删除的场景，尤其是插入和删除：操作多于遍历操作的场景，插入和删除操作的时间复杂度:是O(1)。

扩展知识

1. 与其他容器比较:

list 与vector 和 deque 等其它容器各有优缺点。例如:

  • vector更适用于频繁访问和修改元素，但在中间插入和删除时效率较低。

  • deque特点是双端快速插入和删除，同时支持随机访问。

  • set 和 map之类的关联容器可以进行快速查找(基于平衡二叉树)，但不适合频繁修改结构。

2. 排序:

注意list的排序应该使用list自己的类成员sort函数，不应该使用std::sort()函数。

3. 专用成员函数:

list还提供了一些独有的成员函数，比如splice、sort、reverse、merge等：

  • splice：可以快速将某段元素移动到另一个list 位置。

  • merge：合并两个有序链表。

  • reverse：反转链表元素。

  • sort：对链表进行排序。

4. 迭代器的使用:

由于list是双向链表，双向迭代器是最常用的迭代器类型，它可以向前和向后遍历容器。随机访问迭代器不能用于 list.

4. 什么是 C++ 中的 RAII ？ 它的使用场景？

RAII, 全称是 "Resource Acquisition IsInitialization"(资源获取即初始化)。

它的核心思想是将资源的获取与对象的生命周期绑定，通过构造函数获取资源(如内存、文件句柄、网络连接等)，通过析构函数释放资源。这样，即使程序在执行过程中抛出异常或多路径返回，也能确保资源最终得到正确释放，特别是可以避免内存泄漏。

5. C++ 中 lock_guard 和 unique_lock 的区别？

两者都是RAlI形式的锁管理类，用于管理互斥锁(mutex)。不过它们有一些关键区别:

  1. lock_guard是一个简单且轻量级的锁管理类。在构造时锁定给定的互斥体，并在销毁时自动解锁。它不可以显式解锁，也不支持锁的转移。

  2. unique_lock提供了更多的灵活性。它允许显式的锁定和解锁操作，还支持锁的所有权转移。unique_lock可以在构造时选择不锁定互斥体，并在稍后需要时手动锁定。

扩展知识

1. lock_guard

lock_guard 很简洁，它的唯一任务就是确保在作用域结束时自动释放互斥锁。因为它的简洁，所以性能上更有优势。下面是个简单的示例:

cpp 复制代码 
std::mutex mtx;
void example() {
 std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
 // 互斥锁已经锁定，可以安全地访问共享资源
}  // 作用域结束，mtx 自动解锁

2. unique_lock

unique_lock提供了更灵活的锁管理方式，适用于需要延迟锁定、显式解锁和锁所有权转移的场景。以下是一些特性和用法:

延迟锁定：你可以在构造 unique_lock时选择不锁定互斥锁，而在后续调用lock()方法时显式锁定。

cpp 复制代码 
std::mutex mtx;
void example() 
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock);
    // 在需要时显式锁定
    lock.lock();
    // 互斥锁已经锁定，可以安全地访问共享资源
}  // 作用域结束，mtx 自动解锁

显示解锁：你可以在中间需要时显示解锁互斥锁，然后再次锁定。

cpp 复制代码 
std::mutex mtx;
void example() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    // 访问共享资源
    lock.unlock();
    // 互斥锁已解锁
    // 其他不能并发访问的操作
    lock.lock();
    // 再次锁定共享资源
}  // 作用域结束，mtx 自动解锁

锁所有权转移：unique_lock的所有权可以在不同作用域之间转移，这在一些需要精细控制锁生命周期的场景中非常有用。

cpp 复制代码 
std::mutex mtx;
void example() 
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock1(mtx);
    // 访问共享资源
    std::unique_lock<std::mutex> lock2 = std::move(lock1);
    // lock1 不再拥有互斥锁
    // lock2 拥有互斥锁
}  // 作用域结束，mtx 自动解锁（如果 lock2 尚未解锁）

总结 ：lock_guard 适合简单的场合，不需要复杂的锁定/解锁逻辑，性能更好；而 unique_lock提供了更多的灵活性，适合更复杂的并发编程需求，性能相对一般。

6. C++ 中 thread 的 join 和 detach 的区别？

join和 detach是 std::thread 的成员方法:

  1. join()：阻塞当前的调用线程，直到子线程完成。这意味着主线程将等待子线程执行完毕后再继续执行。这种方法确保了子线程的完成。

  2. detach()：将子线程从调用线程中分离 开来，子线程在后台独立执行，不会阻塞调用线程。使用 detach后，子线程的资源在它独立执行完成后自动释放，但主线程无法再与其通信或得到其执行结果了。

简单来说，join是一种同步机制，保证子线程完成后主线程再继续；而 detach 是一种让子线程独立执行的方式，主线程不再等待和管理它。

7. C++ 中 jthread 和 thread 的区别？

两者都是用于创建并发线程的类，但它们有些许区别:

  1. 自动资源管理： std::jthread是C++20引入的，它通过 RAII 来管理线程生命周期，当 std::jthread对象被销毁时，它所管理的线程会join。而需要 std::thread程序员手动调用 join() 或 detach()方法，否则在 std::thread对象销毁时如果线程仍未join，会导致程序终止。

  2. 中断支持： 设计来更优雅地支持线程中 std::jthread 断机制，而在 std::thread 中没有直接的中断支持，程序员需要自己实现中断逻辑。

8. C++ 中 memcpy 和 memmove 有什么区别？

两者都是用于内存拷贝的函数，但它们的主要区别在于处理内存重叠区域的能力。

  1. memcpy：用于从源地址复制指定数量的字节到目标地址。如果源和目标地址重叠，行为是未定义的，因为memcpy不处理重叠。

  2. memmove：也是用于从源地址复制指定数量的字节到目标地址，但与memcpy不同的是，它可以安全地处理源和目标地址的重叠情况。memmove保证重叠情况下的数据也是被正确地复制。

9. C++ 的 function、bind、lambda 都在什么场景下会用到？

三者都用于处理函数和可调用对象:

  1. std::function：用于存储和调用任意可调用对象(函数指针、Lambda、函数对象等)。常用场景包括回调函数、事件处理、作为函数参数和返回值。

  2. std::bind：用于绑定函数参数，生成函数对象，特别是当函数参数不完全时。常见于将已有函数适配为接口要求的回调、将成员函数与对象绑定。

  3. Lambda表达式：用于定义匿名函数，通常在短期和局部使用函数时比如一次性回调函数、算法库中的自定义操。作等。

10. 请介绍 C++ 中使用模版的优点

模板的优缺点主要有:

优点:

  1. 代码重用性： 模板允许我们编写与数据类型无关的代码，减少了重复代码，提高代码可重用性，遵循Don't repeat yourself 原则。

  2. **类型安全：**模板可以在编译时进行类型检查，避免了运行时错误，提高程序的安全性。

  3. **效率高：**由于模板是在编译时生成具体类型的代码，避免了运行时类型检查，提升了运行效率。

  4. **灵活性强：**模板可以用来实现泛型编程，可以处理各种数据类型和操作，实现更为通用的算法。

缺点:

  1. **编译时间增加：**因为模板会在编译时生成具体类型的代码，可能会导致编译时间显著增加。

  2. **错误信息复杂：**模板引起的错误往往信息量巨大且难以理解，新手在调试时可能会比较头疼。

  3. **代码膨胀：**如果使用不当，模板可能会导致生成大量冗余代码，增加最终模块的尺寸。

  4. **可读性和维护性：**由于模板代码的泛型特性，代码的可读性和维护性可能会下降，理解起来比较困难，比如标准库代码，真的比较难理解。

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