C++八股文（面向对象编程2）

1. C++ 中如何使用析构函数进行资源释放？

• RAII原则：资源获取即初始化，构造函数获取资源，析构函数释放资源。对象生命周期结束时自动释放
• 释放内容：动态分配的内存（delete/delete[]）、文件句柄（fclose）、网络连接、互斥锁、数据库连接等
• 调用时机：栈对象离开作用域、delete堆对象、程序结束时全局对象销毁
• 异常安全：析构函数不应抛出异常，用try-catch捕获并处理
• 虚析构函数：多态基类的析构函数必须是虚函数，确保通过基类指针删除派生类对象时正确释放资源
• 智能指针：现代C++推荐用unique_ptr、shared_ptr自动管理资源，避免手动delete
• 最佳实践：一个类管理一种资源，遵循单一职责原则

2. 如何实现 C++ 中的单例模式（Singleton）？

懒汉式（线程安全，C++11）：

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // C++11保证线程安全
        return instance;
    }
};

• Meyers单例：上面的方法，利用C++11静态局部变量初始化的线程安全性
• 饿汉式：程序启动时就创建实例，线程安全但可能浪费资源
• 双重检查锁定：C++11前的方案，现在不推荐，复杂且容易出错
• 关键点：①私有构造函数 ②删除拷贝构造和赋值运算符 ③静态获取实例方法 ④线程安全
• 优点：全局唯一实例、延迟初始化、线程安全
• 缺点：违反单一职责、难以测试、隐藏依赖关系
• 使用场景：配置管理、日志系统、线程池、数据库连接池

3. C++ 中如何实现接口？

• 纯虚函数接口：所有成员函数都是纯虚函数的抽象类

class IShape {
public:
    virtual ~IShape() = default;
    virtual double area() const = 0;
    virtual void draw() const = 0;
};

• 命名约定：接口类名通常以I开头（IShape、ILogger）
• 析构函数：应该是虚函数，可以有默认实现
• 实现接口：派生类必须实现所有纯虚函数
• 多接口实现：通过多重继承实现多个接口
• 与Java/C#区别：C++没有interface关键字，用纯虚函数类模拟；可以有数据成员（但不推荐）
• 最佳实践：接口应该小而专注，遵循接口隔离原则；不要在接口中放数据成员
• 现代方案：C++20的concepts提供了更灵活的接口定义方式

4. C++ 中的拷贝构造函数是什么？

• 定义：参数是同类型对象的const引用的构造函数，MyClass(const MyClass& other)
• 调用时机：①用对象初始化另一对象 ②对象作为函数参数按值传递 ③函数按值返回对象（可能被优化掉）
• 默认行为：编译器生成的默认版本执行浅拷贝（逐成员复制）
• 何时自定义：类中有指针成员、动态资源、需要深拷贝时
• 实现要点：分配新资源、复制内容、处理异常
• 参数必须是引用：否则会无限递归（传参需要拷贝，拷贝又需要传参）
• const引用：允许从临时对象和const对象拷贝
• 移动语义：C++11引入移动构造函数，避免不必要的拷贝

5. C++ 中的赋值运算符重载如何实现？

class MyClass {
public:
    MyClass& operator=(const MyClass& other) {
        if (this != &other) {  // 1. 检查自赋值
            delete[] data;      // 2. 释放旧资源
            data = new int[other.size];  // 3. 分配新资源
            size = other.size;
            std::copy(other.data, other.data + size, data);  // 4. 复制内容
        }
        return *this;  // 5. 返回*this支持链式赋值
    }
};

• 关键步骤：①检查自赋值 ②释放旧资源 ③分配新资源 ④复制内容 ⑤返回*this
• 自赋值检查：if (this != &other) 防止自己给自己赋值导致资源被错误释放
• 返回类型：返回引用支持链式赋值 a = b = c;
• 异常安全：copy-and-swap惯用法，先复制再交换，保证强异常安全
• 移动赋值：C++11的 operator=(MyClass&& other) 转移资源所有权
• 三五法则：需要自定义赋值运算符，通常也需要自定义析构函数和拷贝构造函数
• =default/=delete：C++11可以显式要求编译器生成或禁止

6. 如何在 C++ 中实现动态多态？

• 三要素：①基类有虚函数 ②派生类重写虚函数 ③通过基类指针或引用调用

class Animal {
public:
    virtual void speak() { cout << "Animal sound"; }
    virtual ~Animal() = default;
};
class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override { cout << "Woof!"; }
};
// 使用
Animal* ptr = new Dog();
ptr->speak();  // 输出"Woof!" 动态绑定

• 实现机制：虚函数表（vtable）+ 虚函数指针（vptr）。每个类有vtable存函数地址，对象有vptr指向vtable
• override关键字：C++11明确标记重写，编译器检查是否真的重写了基类虚函数
• final关键字：防止虚函数被进一步重写或类被继承
• 纯虚函数：virtual void func() = 0; 定义接口，强制派生类实现
• 性能开销：虚函数调用多一次间接寻址，通常可接受
• 注意事项：构造/析构中调用虚函数不会动态绑定；基类析构函数应该是虚函数

7. C++ 中如何使用 new 和 delete 管理内存？

• new操作：①分配内存（operator new）②调用构造函数 ③返回指针
• delete操作：①调用析构函数 ②释放内存（operator delete）
• 数组形式：new[] 和 delete[] 必须配对，否则只析构第一个元素
• 失败处理：new失败抛bad_alloc异常；new(nothrow) 失败返回nullptr
• 定位new：new(ptr) T() 在指定内存位置构造对象，需要手动调用析构函数
• 重载：可以重载operator new/delete自定义内存分配策略
• 常见错误：①内存泄漏（忘记delete）②重复释放 ③new/delete不匹配 ④delete后继续使用
• 现代方案：用智能指针（unique_ptr、shared_ptr）自动管理，避免手动new/delete

8. C++ 中的类型擦除（Type Erasure）是什么？

• 定义：隐藏具体类型信息，提供统一接口，在不使用模板或继承的情况下实现多态
• 实现方式：①继承+虚函数（传统多态）②模板+类型擦除容器（如std::function、std::any）③手动实现（持有void*和函数指针）
• std::function示例：可以存储任何可调用对象（函数、lambda、函数对象），隐藏了具体类型

std::function<int(int)> func = [](int x) { return x * 2; };

• std::any：C++17引入，可以存储任意类型的值，运行时类型安全
• 优点：灵活性高、解耦、支持异构容器
• 缺点：性能开销（动态分配、虚函数调用）、类型信息丢失
• 使用场景：回调函数、事件系统、插件架构、异构容器
• 与模板区别：模板是编译期多态，类型擦除是运行期多态

9. C++ 中的模板特化（Template Specialization）是什么？

• 定义：为特定类型提供模板的特殊实现
• 全特化：为所有模板参数指定具体类型

template<typename T> class Vector { /*通用实现*/ };
template<> class Vector<bool> { /*bool特化实现*/ };

• 偏特化（类模板）：部分模板参数特化

template<typename T, typename U> class Pair { };
template<typename T> class Pair<T, int> { /*U=int的特化*/ };

• 函数模板特化：只能全特化，不能偏特化（用重载代替）
• 特化匹配规则：编译器选择最特化的版本
• 使用场景：①优化特定类型（如Vector<bool>）②处理指针类型 ③类型萃取（type traits）
• 注意事项：特化必须在使用前声明；函数模板优先考虑重载而非特化
• STL应用：iterator_traits、char_traits等大量使用特化

10. 什么是C++中的多重继承，如何避免菱形继承？

• 多重继承：一个类从多个基类继承，class C : public A, public B
• 菱形继承问题：D继承B和C，B和C都继承A，导致D有两份A的副本，造成二义性和空间浪费

    A
   / \
  B   C
   \ /
    D

• 虚拟继承解决：B和C用virtual继承A，class B : virtual public A，确保D只有一份A
• 实现机制：虚基类表（vbtable）和虚基类指针（vbptr），运行时定位唯一的基类
• 构造顺序：虚基类由最底层派生类（D）直接构造，B和C的构造调用被忽略
• 性能开销：增加内存（vbptr）和访问开销（间接寻址）
• 替代方案：①优先使用组合而非继承 ②接口继承+实现组合 ③单一继承链
• 使用建议：多重继承容易导致复杂性，除非必要（如多接口实现），否则避免使用
• 最佳实践：如果使用多重继承，确保只有一个基类有实现，其他都是纯接口