【嵌入式八股3】C++：内存管理与指针

1. `static` 关键字的作用及与 C 的区别

static 关键字在 C++ 中主要影响变量或函数的 生命周期、作用域 和 存储位置。其具体影响如下：

1.1 修饰局部变量

存储位置：从栈区转移到 静态区。
生命周期：从局部生命周期变为全局生命周期。
作用域：作用域保持为局部范围，即函数内或代码块内。

1.2 修饰模块内的全局变量（静态全局变量）

存储位置：存储于 全局数据区的静态区。
作用域：作用域从 整个程序 限制为 当前文件。即使使用 extern 声明，也无法访问。
生命周期：生命周期保持为程序执行期间。

1.3 修饰函数

作用域：函数的作用域从 整个程序 限制为 当前文件。即使使用 extern 声明，也无法访问。

1.4 修饰 C++ 成员变量

类外定义与初始化：例如，int A::_count = 0;，类内声明为 static int _count;。
共享性：该静态成员变量为该类的所有对象所共享。
访问：通过 类名::成员变量名 进行访问。

1.5 修饰 C++ 成员函数

无 this 指针：静态成员函数没有隐式的 this 指针。
访问限制：不能访问非静态成员（变量或函数）。
调用限制：静态成员函数不能调用非静态成员函数，但非静态成员函数可以调用静态成员函数。

2. 指针与引用的区别

2.1 定义区别

指针：指向一个对象，可以间接操作该对象。
引用：目标变量的别名，可以直接操作。

int a = 996;
int *p = &a;  // p是指针，&获取地址
int &r = a;   // r是引用，&仅为标识符

2.2 主要区别

初始化：引用必须初始化，而指针不必。
修改：引用初始化后不可修改所引用的对象，而指针可以修改所指向的对象。
递增操作：指针递增操作是改变地址，引用递增操作是改变值。
sizeof：指针的 sizeof 是指针的大小，引用的 sizeof 是数据的大小。

2.3 类型转换

指针转换为引用：通过 *p 进行解引用，作为参数传入即可。
引用转换为指针：通过 & 取地址即可。

3. 深拷贝与浅拷贝

3.1 浅拷贝

浅拷贝是指增加了一个指向相同堆区的指针，这会导致在析构时重复释放相同的内存。
默认的拷贝构造和赋值运算符通常执行的是浅拷贝。

3.2 深拷贝

深拷贝是指在拷贝时，分配新的内存空间，并将内容复制到新的内存中。这样避免了在析构时重复释放内存的问题。

4. `new` 与 `malloc` 的区别

属性 newmalloc

语法	`int p = new int(0)` 或 `int p = new int`	`int p = (int)malloc(sizeof(int))`
初始化	可以初始化	不会初始化
函数与运算符	操作符，返回指定类型的地址，无需类型转换	函数，返回 `void*`，需要类型转换
失败返回值	抛出异常 `bad_alloc`	返回 `NULL`
构造析构调用	自动调用构造函数和析构函数	不会调用构造析构函数

5. `malloc` 是否可以为类对象分配内存？

malloc 分配内存不会调用类的构造函数，因此不能正确初始化类对象的成员。为了正确初始化对象，应该使用 new。

6. `new` 与 `delete` 的实现

new 和 delete 实际上是对 malloc 和 free 的封装。区别如下：

申请失败时，new 会抛出 bad_alloc 异常，而 malloc 返回 NULL。
对于内置数据类型，二者行为相同。对于类类型，new 会调用构造函数，delete 会调用析构函数。
new 通常调用系统调用 brk() 和 mmap()。

7. 如何避免内存泄漏？智能指针的使用与原理

7.1 内存泄漏问题

C++ 不提供自动垃圾回收机制，程序员必须手动释放通过 new 分配的内存。错误的内存管理可能导致内存泄漏。

7.2 智能指针的种类

shared_ptr：使用引用计数来管理资源。引用计数递增和递减，计数为 0 时释放资源。
unique_ptr：独占式智能指针，不允许复制或共享。线程安全。
weak_ptr：解决循环引用问题。weak_ptr 不参与引用计数，因此不会影响对象的生命周期。

7.3 智能指针的实现示例

#include <iostream>
#include <memory>  // 引入智能指针头文件

class A {
public:
    A(int count) : _nCount(count) {}
    ~A() {}
    void Print() {
        std::cout << "count: " << _nCount << std::endl;
    }
private:
    int _nCount;
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> p = std::make_shared<A>(10);  // 创建智能指针
    p->Print();
    return 0;
}

7.4 `shared_ptr` 创建方式

std::shared_ptr<int> p = std::make_shared<int>(100);  // 推荐使用
std::shared_ptr<int> p{new int(100)};  // 第二种创建方式

7.5 `unique_ptr` 示例

std::unique_ptr<int> p = std::make_unique<int>(100);  // 独占指针
std::unique_ptr<int> p1(p.release());  // 转移所有权到 p1
std::unique_ptr<int> p1 = std::move(p);  // 使用 std::move 转移所有权