Linux C++知识梳理

1. C++ 基础​

1.1 指针和引用的区别​

• 区别：

特性	指针（T*）	引用（T&）
本质	变量，存储地址	别名（原变量的另一个名字）
初始化	可不初始化（但危险）	必须初始化，且绑定后不可变
可空性	可为 nullptr	不能为 null，必须绑定有效对象
重新赋值	可指向不同对象	不能重新绑定（始终指向初始化时的对象）
取地址	&ptr 是指针变量的地址	&ref 是被引用对象的地址
sizeof	通常是 8 字节（64 位系统）	等于被引用对象的大小
多级	支持（int**, int***）	不支持（无"引用的引用"）
算术运算	支持（ptr++, ptr + n）	不支持

• 使用建议：

场景	推荐
需要可选/可空语义	指针（如 std::optional 出现前）
函数参数修改原值	引用（更安全、简洁）
实现数据结构（链表、树）	指针（需动态指向）
避免拷贝大对象	const 引用（const T&）
与 C API 交互	指针（C 无引用）

选择原则：优先用引用，必要时用指针。

1.2 函数重载和运算符重载

特性	函数重载	运算符重载
目的	提供同名但参数不同的多个函数	为自定义类型赋予运算符语义（如 a + b）
名称	任意合法函数名（如 print, add）	固定为 operator@（如 operator+, operator[]）
参数数量	任意（包括 0）	受运算符本身限制： • 一元运算符：1 个参数 • 二元运算符：2 个参数（成员函数时隐含 this）
可重载的符号	无限制（自定义名）	仅限 C++ 内置运算符（不能创建新运算符，如 **）
返回类型	可不同（但不能仅靠返回类型区分重载）	通常需符合直觉（如 + 返回新对象，= 返回引用）
调用方式	显式函数调用：func(a, b)	自然表达式：a + b 或显式：a.operator+(b)
必须为成员函数？	否（可全局或成员）	部分运算符必须为成员： • 赋值 = • 下标 [] • 函数调用 () • 成员访问 ->

1.3 虚函数和纯虚函数

特性	虚函数（Virtual Function）	纯虚函数（Pure Virtual Function）
定义方式	virtual 返回类型 func(参数);	virtual 返回类型 func(参数) = 0;
是否必须实现	✅ 必须提供实现（可在基类或派生类）	❌ 基类中无实现（= 0 表示"纯"）
能否实例化基类	✅ 可以（基类是具体类）	❌ 不能（基类成为抽象类）
目的	允许派生类可选重写，提供默认行为	强制派生类必须重写，定义接口契约
类的性质	普通类（concrete class）	抽象类（abstract class）
典型用途	提供可扩展的默认实现	定义接口（Interface）

1.4 拷贝构造函数与移动构造函数

特性	拷贝构造函数（Copy Constructor）	移动构造函数（Move Constructor）
定义形式	T(const T& other)	T(T&& other)
参数类型	左值引用（const T&）	右值引用（T&&）
语义	深拷贝：创建新对象，原对象不变	资源转移：窃取原对象资源，原对象变为空/有效但未指定状态
触发时机	用已命名对象初始化新对象 （如 T a = b;）	用临时对象/右值初始化新对象 （如 T a = func();）
性能	可能昂贵（如复制大数组、文件）	通常廉价（仅指针交换）
是否修改源对象	❌ 不修改	✅ 修改（置为"空"状态）
默认生成条件	若未定义，编译器自动生成（成员逐个拷贝）	若未定义且满足条件，C++11+ 编译器自动生成

2. 内存管理

2.1 C++ 内存分区​

分区	别名	存储内容	生命周期	分配方式	特点
栈（Stack）	自动存储区	局部变量、函数参数、返回地址	函数作用域内	编译器自动分配/释放	快速、连续、大小有限（通常几 MB）
堆（Heap）	自由存储区	动态分配的对象（new/malloc）	手动控制（直到 delete/free）	程序员显式分配/释放	大小受限于虚拟内存，速度较慢，易内存泄漏
全局/静态区（Global/Static）	静态存储区	全局变量、静态变量（static）、常量字符串	整个程序运行期	编译时分配，启动时初始化	初始化一次，程序结束时释放
常量区（Constant / Literal）	字符串常量区	字符串字面量（如 "hello"）、const 全局变量	程序运行期	编译时分配	只读，修改会导致未定义行为（如段错误）
代码区（Text / Code Segment）	程序区	可执行机器指令（函数体代码）	程序运行期	编译时生成	只读，通常与常量区合并或相邻

2.2 智能指针的种类及区别

特性	std::unique_ptr	std::shared_ptr	std::weak_ptr
所有权模型	独占所有权（唯一拥有者）	共享所有权（多个拥有者）	无所有权（观察者）
是否可复制	❌ 不可复制（可移动）	✅ 可复制（引用计数 +1）	✅ 可复制
线程安全	本身非线程安全（但单线程下安全）	控制块线程安全（引用计数原子操作）	同 shared_ptr
内存开销	无额外开销（≈ 原生指针）	额外控制块（引用计数 + deleter 等）	与 shared_ptr 共享控制块
典型用途	替代 new/delete，RAII 资源管理	多个对象共享同一资源	解决 shared_ptr 的循环引用问题
删除器支持	✅ 支持自定义删除器（模板参数）	✅ 支持自定义删除器（运行时存储）	依赖关联的 shared_ptr
转换关系	可转为 shared_ptr	可构造 weak_ptr	只能从 shared_ptr 构造

3. Linux 系统知识

3.1 进程与线程的区别​

对比维度	进程（Process）	线程（Thread）
资源占用	拥有独立的地址空间（代码段、数据段、堆、栈）、文件描述符表、信号处理表等，资源占用多。	共享所属进程的地址空间、文件描述符表等资源，仅拥有独立的栈、程序计数器（PC）、寄存器集合，资源占用少。
调度开销	进程切换时需保存和恢复整个地址空间、寄存器等上下文，开销大（毫秒级）。	线程切换仅需保存和恢复栈、PC、寄存器，开销小（微秒级），调度更高效。
通信方式	需通过进程间通信（IPC）机制，如管道（pipe）、消息队列（message queue）、共享内存（shared memory）、信号量（semaphore）等，实现复杂，效率较低。	可直接访问共享内存（进程地址空间中的全局变量、静态变量），通信简单高效；也可使用线程同步机制（互斥锁、条件变量）避免竞争。
独立性	进程间相互独立，一个进程崩溃通常不会影响其他进程（除非通过共享资源间接影响）。	线程属于同一进程，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃（如内存越界、野指针访问）。
PID 与 TID	每个进程有唯一的 PID（进程 ID），由内核分配。	每个线程有唯一的 TID（线程 ID），同一进程内的线程 PID 相同，TID 不同（Linux 下线程本质是轻量级进程，LWP）。

3.2 进程通信

IPC 方式	是否支持跨主机	数据流向	同步/异步	持久性	典型用途	优点	缺点
管道（Pipe）	❌ 仅限父子/相关进程	单向（匿名）或双向（命名）	阻塞（默认）	匿名：临时 命名：文件系统存在	简单父子进程通信	简单、内核支持	匿名 pipe 仅限亲缘进程；缓冲区有限
FIFO（命名管道）	❌ 本地	单向	阻塞	是（文件系统路径）	无关进程通信	可用于无亲缘关系进程	仍为单向，需额外同步
消息队列（Message Queue）	❌ 本地	双向（多对多）	可配置	是（内核持久）	结构化数据传递	消息边界清晰、支持优先级	内核限制消息大小/数量
共享内存（Shared Memory）	❌ 本地	双向（直接读写）	异步	是（需显式删除）	高性能大数据交换	速度最快（无需拷贝）	需手动同步（如配合信号量）
信号量（Semaphore）	❌ 本地	------（用于同步）	------	是	控制资源访问、进程同步	计数灵活，可实现互斥/同步	易死锁，不传数据
信号（Signal）	❌ 本地	通知（无数据或少量）	异步	------	异常通知、简单控制	开销极小	不可靠（可能丢失），不能传复杂数据
套接字（Socket）	✅ 支持（TCP/UDP）	双向	可配置	否	网络通信、本地高性能 IPC（Unix Domain Socket）	通用、跨平台、跨主机	相对复杂，有协议开销

3.3 线程同步

同步机制	作用	是否阻塞	典型用途	C++ 标准库支持	特点
互斥锁（Mutex）	保证同一时间只有一个线程访问临界区	✅ 阻塞	保护共享数据	std::mutex, std::lock_guard, std::unique_lock	最基础、最常用；防止并发写/读写冲突
递归锁（Recursive Mutex）	允许同一线程多次加锁	✅ 阻塞	可重入函数	std::recursive_mutex	避免死锁（但应尽量避免设计依赖递归锁）
读写锁（Read-Write Lock）	多个读线程可并发，写线程独占	✅ 阻塞	读多写少场景	std::shared_mutex (C++17)	提高读密集型性能
条件变量（Condition Variable）	线程等待某个条件成立	✅ 阻塞	生产者-消费者、线程间通知	std::condition_variable	需配合 mutex 使用；避免忙等待
原子操作（Atomic）	对单个变量的无锁操作	❌ 非阻塞	计数器、标志位	std::atomic<T>	高性能；仅适用于简单操作（如 ++, compare_exchange）
信号量（Semaphore）	控制同时访问资源的线程数量	✅ 阻塞	资源池、限流	C++20 起：std::counting_semaphore	可实现更灵活的资源控制（非 C++11~17 原生支持）
屏障（Barrier）	多个线程到达某点后才继续	✅ 阻塞	并行计算同步	C++20 起：std::barrier	用于阶段式并行任务

3.4 死锁及避免方法

3.4.1 死锁条件

条件	说明
1. 互斥条件（Mutual Exclusion）	资源一次只能被一个线程占用（如 mutex、文件锁）。
2. 占有并等待（Hold and Wait）	线程已持有至少一个资源，同时还在等待其他被占用的资源。
3. 不可抢占（No Preemption）	已分配的资源不能被强制剥夺，只能由持有者主动释放。
4. 循环等待（Circular Wait）	存在一个线程等待环：T₁ → T₂ → ... → Tₙ → T₁。

3.4.2 死锁预防

方法	原理	适用性
固定加锁顺序	破坏循环等待	✅ 最常用、最有效
std::lock()	标准库自动处理顺序	✅ 推荐用于多 mutex 场景
超时重试	避免永久等待	⚠️ 可能活锁，需指数退避
减少锁粒度	降低并发冲突概率	✅ 提升性能 + 降低死锁风险
无锁编程（atomic）	完全避免互斥	✅ 适用于简单共享状态

4. 网络编程

4.1 IO 多路复用：select/poll/epoll 对比​

对比维度	select	poll	epoll（Linux 2.6+）
监控方式	基于位图（fd_set），监控文件描述符集合	基于数组（struct pollfd []），存储 fd 和事件类型	基于红黑树（内核维护）和就绪链表，高效存储和查询
最大监控数	受内核参数 FD_SETSIZE 限制（默认 1024）	无理论限制（仅受系统资源限制）	无理论限制（仅受系统资源限制）
IO 事件类型	支持读、写、异常事件	支持读、写、异常事件（可扩展更多事件类型）	支持读、写、异常、边缘触发（ET）等多种事件
效率	每次调用需遍历所有监控 fd，O(n) 复杂度	每次调用需遍历所有监控 fd，O(n) 复杂度	仅遍历就绪 fd，O(1) 复杂度（基于就绪链表）
内存拷贝	每次调用需将 fd_set 从用户态拷贝到内核态	每次调用需将 pollfd 数组从用户态拷贝到内核态	仅初始化时拷贝 fd 到内核态，之后无需拷贝
触发模式	仅水平触发（LT）：只要 fd 就绪，每次调用都通知	仅水平触发（LT）	支持水平触发（LT）和边缘触发（ET）
适用场景	监控 fd 数量少（≤1024）的简单场景	监控 fd 数量中等的场景	高并发场景（如百万级连接，Nginx、Redis 使用）

5. 综合知识