C++基础知识

C/C++基础知识

• 数组和指针的区别
• 指针数组和数组指针
• 字符数组和字符串常量
• 引用和指针的区别
• C++中class和struct的区别
• new/delete和malloc/free区别
• new运算符的原理
• malloc的内存分配机制
• 栈和堆的区别
• 面向对象和面向过程的区别
• const关键字
• static关键字
• extern关键字
• volatile关键字
• explicit关键字
• 类成员属性
• 大小端序的定义和代码判断
• 代码判断32位和64位系统

数组和指针的区别

• 概念不同. 指针相当于一个变量，它存放的是数据在内存中的地址；数组是用于储存多个相同类型数据的集合
• 赋值不同. 同类型指针变量可以相互赋值，数组不行，只能一个一个元素的赋值或拷贝
• 访问数据不同. 指针是间接访问数据，获取指针，先解引用，再访问指针指向的地址中的内容；数组是直接访问
• sizeof意义不同.
  数组所占存储空间的内存：sizeof（数组名）
  数组的大小：sizeof（数组名）/sizeof（数据类型）
  在32位平台下，sizeof（指针名）是4，在64位平台下，sizeof（指针名）是8
• 指针和数组名异同. 指针和数组名都可以表示地址，但指针是变量，可以修改；数组名是常量，不可修改赋值
• 传参.
  数组传参时会退化成指针

1. 退化的意义：C语言只会以值拷贝的方式传递参数，参数传递时，如果拷贝整个数组，效率会大大降低，并且在参数位于栈上，太大的数组拷贝将会导致栈溢出。
2. 因此，C语言将数组的传参进行了退化。将整个数组拷贝一份传入函数时，将数组名看做常量指针，传数组首元素的地址。

指针数组和数组指针

指针数组本质是数组，数组指针本质是指针，谁优先级高，本质是谁

• 指针数组：它实际上是一个数组，数组的每个元素存放的是一个指针类型的元素。
  int* arr[8];

1. 优先级问题：[]的优先级比*高
2. 说明arr是一个数组，而int*是数组里面的内容
3. 这句话的意思就是：arr是一个含有 * 和 int* 的数组

• 数组指针：它实际上是一个指针，该指针指向一个数组。
  int (*arr)[8];

1. 由于[]的优先级比*高，因此在写数组指针的时候必须将*arr用括号括起来
2. arr先和*结合，说明p是一个指针变量
3. 这句话的意思就是：指针arr指向一个大小为8个整型的数组。

字符数组和字符串常量

char arr[]=“hello”; //字符数组
char *arr2=“hello”; //字符串常量

• char arr[]=“hello”，此处的赋值是将常量区的字符串"hello"拷贝到了堆栈区的数arr的空间了。数组arr是在堆栈区开辟了空间，此时是可以修改字符串的值，因为修改的是堆栈区的字符串的值。另外此时的数组名arr是堆栈区中的"hello"的首地址。
• char *arr2=“hello”，指针arr2是存储在堆栈区，但字符串是常量，存储在常量区，只是指针arr指向了存储在常量区的字符串首地址，此时不能改变常量区的字符串的值。

const char arr[]=“hello”; //这里hello本来是在栈上的，但是编译器可能会做某些优化，将其放到常量区
const char *arr2=“hello”; //字符串hello保存在常量区，const本来是修饰arr2指向的值不能通过arr2去修改，但是字符串hello在常量区，本来就不能改变，所以加不加const效果都一样

inline和宏的区别

• inline是在编译期间展开，宏在预处理时替换
• inline函数直接嵌入到目标代码内，宏只是简单的文本替换
• inline函数会进行类型安全检查和参数有效性检查，而宏不会
• inline函数是函数，宏不是
• 宏定义时有可能产生二义性，而inline函数不会
• inline可以不展开，只是对编译器的建议，而宏必须展开

引用和指针的区别

• 指针有内存分配，而引用只是一个别名. 引用声明时必须初始化，从而指向一个已经存在的对象
• 引用可以看做指针常量，指针是一个存储地址的变量. 指针在运行时可以改变其所指向的值，而引用一旦和某个对象绑定后就不再改变。这句话可以理解为：指针可以被重新赋值以指向另一个不同的对象，但是引用则总是指向在初始化时被指定的对象，以后不能改变，但是指定的对象其内容可以改变。
• 引用创建时必须初始化，且不为空，指针创建时可以为空. 不存在指向空值的引用这个事实，意味着使用引用的代码效率比使用指针的要高。因为在使用引用之前不需要测试它的合法性。相反，指针则应该总是被测试，防止其为空。
• 指针和引用的自增运算符意义不同. 指针是对内存地址的自增，引用是对值的自增
• sizeof的意义不同. 使用sizeof看一个指针的大小是4，而引用则是被引用对象的大小
• 没有引用常量，有指针常量. 没有int& const p,有int* const p.
  常量指针和常量引用是存在的，const int *p和cosnt int &p，都表示指向的对象为常量常量引用形参的好处：（1）使用引用作为形参，不会产生新的变量，减少形参和实参传递的开销；（2）使用引用可能会导致实参随着形参的改变而改变。声明为const之后就会消除这种副作用。
• 参数传递. 作为参数传递时，指针需要被解引用才可以对对象进行操作，而直接对引 用的修改都会改变引用所指向的对象
• 多级指针，一级引用. 指针可以有多级指针（**p），而引用只有一级

C++中class和struct的区别

C中的strcut不能有函数，但C++中可以。C++中的struct对C中的struct进行了扩充，它已经不再只是一个包含不同数据类型的数据结构了，它已经获取了太多的功能。struct能包含成员函数吗？ 能！struct能继承吗？ 能！！struct能实现多态吗？ 能！！！

• 默认的继承访问权限. struct是public的，class是private的
  class B : public A就是为了指明是public继承，而不是用默认的private继承，若class B : A则是private继承
• 定义模板参数. class这个关键字还用于定义模板参数，就像typename。但关键字struct不用于定义模板参数。

new/delete和malloc/free区别

malloc和calloc间的主要区别在于后者在返回指向内存的指针之前把它初始化为0。另一个区别是calloc的参数包括所需的元素的数量和每个元素的字节数

• 属性不同. new/delete是C++关键字，需要编译器支持。malloc/free是库函数，需要头文件支持c
• 申请的内存所在位置. new操作符从自由存储区（free store）上为对象动态分配内存空间，而malloc函数从堆上动态分配内存.
• 返回类型安全性. new操作符内存分配成功时，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，无须进行类型转换，故new是符合类型安全性的操作符。
  而malloc内存分配成功则是返回void*类型，需要通过强制类型转换将空类型指针转换成我们需要的类型。
• 内存分配失败时的返回值. new内存分配失败时，会抛出bac_alloc异常，它不会返回NULL；malloc分配内存失败时返回NULL。
• 是否需要指定内存大小. 使用new操作符申请内存分配时无须指定内存块的大小，编译器会根据类型信息自行计算。而malloc则需要显式地指出所需内存的大小
  int *pi=new int;//在自由存储区中分配创建了一个整形对象，并返回一个指向该对象的地址来初始化指针pi。
  int *pi=new int();//对指针pi指向的地址的值进行了初始化为0
  int *pi=new int(1024);//初始化为1024。
  int *p=(int *)malloc(100);//指向整型的指针p指向一个大小为100字节的内存的地址
  int *p=(int )malloc(25sizeof(int));//指向整型的指针p指向一个25个int整型空间的地址
• 数组分配内存（与前一个特点类似）. new中分配内存对于变量和数组不同，malloc分配内存则相同
  int *pi=new int[]; //指针pi所指向的数组未初始化
  int *pi=new int[n]; //指针pi指向长度为n的数组，未初始化
  int *pi=new int; //指针pi所指向的地址初始化为0
• 是否调用构造函数/析构函数. new会先调用operator_ new函数，申请足够的内存（通常底层使用malloc实现）。然后调用类型的构造函数，初始化成员变量，最后返回自定义类型指针。delete先调用析构函数，然后调用operator_ delete函数释放内存（通常底层使用free实现）。malloc/free是库函数，只能动态的申请和释放内存，无法强制要求其做自定义类型对象构造和析构工作。
• 能否重载. opeartor_new/operator_delete允许重载,malloc/free不允许重载
• 已分配内存的扩充. malloc/free可以通过realloc函数扩充，new/delete无法直观地处理
• 能否相互调用. operator_new /operator _delete的实现可以基于malloc/free，而malloc的实现不可以去调用new。

new运算符的原理

• 内存分配

  • 调用相应的 operator new(size_t) 函数，动态分配内存。如果 operator new(size_t) 不能成功获得内存，则调用 new_handler()函数用于处理new失败问题。如果没有设置 new_handler() 函数或者 new_handler() 未能分配足够内存，则抛出 std::bad_alloc 异常

• 构造函数

  • 在分配到的动态内存块上 初始化相应类型的对象（构造函数）并返回其首地址。如果调用构造函数初始化对象时抛出异常，则自动调用 operator delete(void*, void*) 函数释放已经分配到的内存。

malloc的内存分配机制

malloc内存分配机制是怎么样的,在哪里分配内存，最大可以申请多大的内存？

• 首先会扫描之前由free()所释放的空闲内存块列表，以求找到尺寸大于或等于要求的一块空闲内存。如果这一内存块的尺寸正好与要求相当，就将它返回给调用者，如果是一块较大的内存，那么将对其进行分割，在将一块大小相当的内存返回给调用者的同时，把较小的那块空闲内存块保留在空闲列表中

栈和堆的区别

• 管理方式不同
  • 对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。
• 空间大小不同
  • 一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M
• 能否产生碎片不同
  • 对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出
• 生长方向不同
  • 对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长

面向对象和面向过程的区别

面向对象就是高度实物抽象化、面向过程就是自顶向下的编程

• 面向过程就是分析出解决问题所需要的步骤，然后用函数把这些步骤一步一步实现，使用的时候一个一个依次调用
• 面向对象是把要解决的问题分解成各个对象，建立对象的目的不是为了完成一个步骤，而是为了描叙某个事物在整个解决问题的步骤中的行为
• 面向过程的优缺点
  1. 优点：性能比面向对象高，因为类调用时需要实例化，开销比较大，比较消耗资源;比如单片机、嵌入式开发、Linux/Unix等一般采用面向过程开发，性能是最重要的因素。
  2. 缺点：没有面向对象易维护、易复用、易扩展
• 面向对象的优缺点
  1. 优点：易维护、易复用、易扩展，由于面向对象有封装、继承、多态性的特性，可以设计出低耦合的系统，使系统 更加灵活、更加易于维护
  2. 缺点：性能比面向过程低

const关键字(不可修改)

• 修饰变量，说明该变量不可以被改变，const全局变量还会使该全局变量作用域仅限于该文件，起到"static"的作用；const 全局变量存放在只读数据段，const局部变量存放在栈上。
• 修饰指针，分为指向常量的指针和指针常量；int *const p和const int *p
• 常量引用，经常用于形参类型，即避免了拷贝，又避免了函数对值的修改；
• 修饰成员函数
  • 成员函数后面+const：该成员函数内不能修改成员变量（static成员除外）
  • 成员函数中形参+const：表示修饰的形参在其函数体不能被修改
  • 成员函数前+const：表示其返回值不能被修改
• const修饰成员变量：
  • 静态成员变量：类外对该变量进行初始化
  • 非静态成员变量：构造函数使用初始化列表进行初始化

static关键字(对外不可见)

• 修饰普通变量， 修改变量的存储区域和生命周期，使变量存储在静态区，在 main 函数运行前就分配了空间，在整个程序运行期间一直存在，如果有初始值就用初始值初始化它，如果没有初始值系统用默认值初始化它，自动初始化为0。
  全局变量作用域：全局静态变量在声明他的文件之外是不可见的，准确地说是从定义之处开始，到文件结尾。
  局部变量作用域：仍为局部作用域，当定义它的函数或者语句块结束的时候，作用域结束。但是当局部静态变量离开作用域后，并没有销毁，而是仍然驻留在内存当中，只不过我们不能再对它进行访问，直到该函数再次被调用，并且值不变；
• 修饰普通函数， 其只能在定义它的源文件中使用，不能在其他源文件中被引用
• 修饰类成员变量和成员函数， 它们是属于类的，而不是某个对象，所有对象共享一个静态成员。静态成员通过<类名>::<静态成员>来使用。在 static 函数内不能访问非静态成员

extern关键字

extern关键字主要修饰变量或函数，表示该函数可以跨文件访问，或者表明该变量在其他文件定义，在此处引用.

• **修饰变量或函数.**被 extern 限定的函数或变量是 extern 类型的
• extern “C”. extern “C” 的作用是让 C++ 编译器将 extern “C” 声明的代码当作 C 语言代码处理，可以避免 C++ 因符号修饰导致代码不能和C语言库中的符号进行链接的问题。

1. 在c头文件中通过#ifdef __cplusplus extern “C” { #endif来定义
2. 在对应的c文件中实现
3. 在cpp文件中通过“extern “C” 函数名”调用，或者包含c头文件
   注意： extern的引用方式比包含头文件要简洁得多！extern的使用方法是直接了当的，想引用哪个函数就用extern声明哪个函数。这样做的一个明显的好处是，会加速程序的编译（确切的说是预处理）的过程，节省时间，但若需要调用的函数太多，还是直接包含头文件吧.

volatile关键字

• 不可优化性. volatile 关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示不可以被某些编译器未知的因素（操作系统、硬件、其它线程等）更改。所以使用 volatile 告诉编译器不应对这样的对象进行优化。
• 易变性. volatile 关键字声明的变量，每次访问时都必须从内存中取出值（没有被 volatile 修饰的变量，可能由于编译器的优化，从 CPU 寄存器中取值）

explicit关键字

explicit关键字的作用就是防止对象间实现 = 赋值（赋值构造函数），防止类构造函数的隐式自动转换,类构造函数默认情况下即声明为implicit(隐式)，

另外explicit只用于单参数的构造函数，或者除了第一个参数以外的其他参数都有默认值.

• explicit 修饰构造函数时，可以防止隐式转换和复制初始化
• explicit 修饰转换函数时，可以防止隐式转换

class Person{
public:
    Person(){
    }
    //有参构造初始化数据
    explicit Person(const char* str_){
        str = (char *)malloc(sizeof(char)*100);
        strcpy(str,str_);
    }
    ~Person() {
        if (str != NULL){
            free(str);
            str = NULL;
        }
    }
    char *str;
};
void test05(){
    //Person p = "abc"; 隐式调用
    Person p ("abc"); //显式调用
}
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类成员属性

类的成员有三个权限：公有权限（public），私有C权限（private），保护权限（protected）。

• 私有权限. 私有成员在类内部可以访问，类外不可访问，一般推荐将成员变量设置为私有成员；
• 公有权限. 类内类外都可以进行访问；
• 保护权限. 类内和当前类的子类可以访问，类外不可访问。

大小端序的定义和代码判断

定义

一个16进制的地址，存放在内存中从低地址开始存储，如16进制的地址为0x1234，对于地址而言，从右往左是从低到高

• 大端
  • 若16进制的低地址存放在内存的高地址，则为大端字节序，34存储在高位，12存储在低位
• 小端
  • 若16进制的低地址存放在内存的低地址，则为小端字节序，12存储在高位，34存储在低位

代码判断

可以通过联合体来判断，联合体是同一块内存被联合体中的所有成员公用，如果后续成员对内存重新赋值，会覆盖内存中原有数据

union U{
	int a;
	char b;
};

int main(){
	U u;
	u.a = 0x01020304;

	if (u.b == 0x04){
		cout << u.b << endl; //输出char字符
		cout << "little" << endl;
	}

	else if (u.b == 0x01){
		cout << u.b << endl;
		cout << "big" << endl;
	}
	system("pause");
	return 0;
}
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代码判断32位和64位系统

写一个指针，输出指针所占的字节大小

线程A和线程B不加锁，对同一个变量，各自执行 i++ 100次，结果是啥

最小值2，最大值200。

最小值2

• 初始条件，内存值为0
• A线程从内存中取出值，进行第一次++操作，还未写回内存就被挂起，此时A寄存器 1 ，内存 0 ；
• B线程从内存中取出值，进行第一次++操作，还未写回内存就被挂起，此时B寄存器 1 ，内存 0 ；
• A连续执行到第99次++操作，每次都写回到内存，此时A寄存器 99 ，内存 99 ；
• B继续执行，将自己寄存器的值写回到内存，覆盖了内存中的99，此时B寄存器 1 ，内存 1 ；
• A执行第100次++操作，取出内存中的值1，然后++，还未写回内存就被挂起，此时A寄存器 2 ，内存 1 ；
• B执行完自己所有剩余操作，此时B寄存器为100， 内存为100；
• A继续执行，将自己的寄存器的值写回内存，内存为2。

最大值200

每个线程的每次执行都将值写回内存

C++指定内存分配对象

placement new

首先分配足够大的内存；然后用placement new语法生成对象：new(ptr) xxx()，其中ptr是足够容纳所指对象的指针。

class Person {
private:
    int age;
    std::string name;
public:
  // methods
};
 
int main(int argc, char** argv) {
    auto mem = malloc(sizeof(Person));
    auto p = new(mem) Person();
    p->show();
    free(mem);
    return 0;
}
/*
Person
Lily's age is 10
*/
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allocator

先分配内存，然后在其上装载对象，可以使用allocator。allocator定义在头文件中，能对指定类型分配合适的内存，并可手动调用对象的构造函数和析构函数。

class Person {
private:
  int age;
  std::string name;
public:
    Person() {
        age = 10;
        name = "Lily";
        cout << "Person" << endl;
    }
    void show() {
        cout << name << "'s age is " << age << endl;
    }
    ~Person() {
        cout << "~Person" << endl;
    }
};

int main() {
  std::allocator alloc;
  auto p = alloc.allocate(1); // 分配一个Person对象的内存
  alloc.construct(p);   // 调用Person的构造函数，如果构造函数有参数，参数写在p之后
  // p 现在是一个指向Person的指针，且其指向对象被初始化过
  // 对p进行一些操作
    p->show();
  // 销毁对象，但不释放内存，等同于调用p->~Person()
  alloc.destroy(p);
  // 释放内存
  alloc.deallocate(p, 1);
  return 0;
}
/*
Person
Lily's age is 10
~Person
*/
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