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C/C++面试基础知识

C/C++面试基础知识

Posted by vxiaozhi on May 8, 2025

C/C++ Basics

如何定义一个只能在堆上（栈上）生成对象的类？

如何定义一个只能在堆上（栈上）生成对象的类?

只能在堆上

方法：将析构函数设置为私有

原因：C++ 是静态绑定语言，编译器管理栈上对象的生命周期，编译器在为类对象分配栈空间时，会先检查类的析构函数的访问性。若析构函数不可访问，则不能在栈上创建对象。

只能在栈上

方法：将 new 和 delete 重载为私有

原因：在堆上生成对象，使用 new 关键词操作，其过程分为两阶段：第一阶段，使用 new 在堆上寻找可用内存，分配给对象；第二阶段，调用构造函数生成对象。将 new 操作设置为私有，那么第一阶段就无法完成，就不能够在堆上生成对象。

内存、栈、堆

一般应用程序内存空间有如下区域：

  • 栈：由操作系统自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量等的值，用于维护函数调用的上下文
  • 堆：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收，用来容纳应用程序动态分配的内存区域
  • 可执行文件映像：存储着可执行文件在内存中的映像，由装载器装载是将可执行文件的内存读取或映射到这里
  • 保留区：保留区并不是一个单一的内存区域，而是对内存中受到保护而禁止访问的内存区域的总称，如通常 C 语言讲无效指针赋值为 0（NULL），因此 0 地址正常情况下不可能有效的访问数据

栈

栈保存了一个函数调用所需要的维护信息，常被称为堆栈帧（Stack Frame）或活动记录（Activate Record），一般包含以下几方面：

  • 函数的返回地址和参数
  • 临时变量：包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
  • 保存上下文：包括函数调用前后需要保持不变的寄存器

堆

堆分配算法：

  • 空闲链表（Free List）
  • 位图（Bitmap）
  • 对象池

“段错误（segment fault）” 或 “非法操作，该内存地址不能 read/write”

典型的非法指针解引用造成的错误。当指针指向一个不允许读写的内存地址，而程序却试图利用指针来读或写该地址时，会出现这个错误。

普遍原因：

  • 将指针初始化为 NULL，之后没有给它一个合理的值就开始使用指针
  • 没用初始化栈中的指针，指针的值一般会是随机数，之后就直接开始使用指针

基类为什么需要虚析构函数？

答：标准规定：当derived class经由一个base class指针被删除而该base class的析构函数为non-virtual时，将发生未定义行为。通常将发生资源泄漏。

解决方法即为：为多态基类声明一个virtual 析构函数。

指针和引用的区别

本质：指针是一个变量，存储内容是一个地址，指向内存的一个存储单元。而引用是原变量的一个别名，实质上和原变量是一个东西，是某块内存的别名。

指针的值可以为空，且非const指针可以被重新赋值以指向另一个不同的对象。而引用的值不能为空，并且引用在定义的时候必须初始化，一旦初始化，就和原变量“绑定”，不能更改这个绑定关系。

不过如下的写法也是通的过编译器的：

1
2

    int *iptr = NULL;
    int& iref = *iptr;

但是，上面的写法是非人类的。

对指针执行sizeof()操作得到的是指针本身的大小（32位系统为4,64位系统为8）。而对引用执行sizeof()操作，由于引用本身只是一个被引用的别名，所以得到的是所绑定的对象的所占内存大小。

指针的自增(++)运算表示对地址的自增，自增大小要看所指向单元的类型。而引用的自增(++)运算表示对值的自增。

在作为函数参数进行传递时的区别：指针作为函数传输作为传递时，函数内部的指针形参是指针实参的一个副本，改变指针形参并不能改变指针实参的值，通过解引用*运算符来更改指针所指向的内存单元里的数据。而引用在作为函数参数进行传递时，实质上传递的是实参本身，即传递进来的不是实参的一个拷贝，因此对形参的修改其实是对实参的修改，所以在用引用进行参数传递时，不仅节约时间，而且可以节约空间。

上面是引用和指针的区别，总的来说，如果你需要一个可能会为空，或者还会指向别的值的时候，就使用指针，如果是要一开始就要指向一个object，并不会改变的时候就可以只用引用。

深拷贝和浅拷贝的区别

答：浅拷贝：如果在类中没有显式地声明一个拷贝构造函数，那么，编译器将会根据需要生成一个默认的拷贝构造函数，完成对象之间的位拷贝。default memberwise copy即称为浅拷贝。

此处需要注意，并非像大多数人认为的“如果class未定义出copy constructor，那么编译器就会为之合成一个执行default memberwise copy语义的copy constructor”。 通常情况下，只有在default copy constructor被视为trivial时，才会发生上述情况。一个class，如果既没有任何base/member class含有copy constructor，也没有任何virtual base class或 virtual functions， 它就会被视为trivial。

通常情况下，浅拷贝是够用的。

深拷贝：然而在某些状况下，类内成员变量需要动态开辟堆内存，如果实行位拷贝，也就是把对象里的值完全复制给另一个对象，如A=B。

这时，如果B中有一个成员变量指针已经申请了内存，那A中的那个成员变量也指向同一块内存。如果此时B中执行析构函数释放掉指向那一块堆的指针，这时A内的指针就将成为悬挂指针。

因此，这种情况下不能简单地复制指针，而应该复制“资源”，也就是再重新开辟一块同样大小的内存空间。

STL

关于shared_ptr使用需要记住什么？

总结下来需要注意的大概有下面几点：

  • 1）、尽量避免使用raw pointer构建shared_ptr，至于原因此处不便于多讲，后续还有讲解
  • 2）、shared_ptr使得依据共享生命周期而经行地资源管理进行垃圾回收更为方便
  • 3）、shared_ptr对象的大小通常是unique_ptr的两倍，这个差异是由于Control Block导致的，并且shared_ptr的引用计数的操作是原子的，这里的分析也会在后续看到
  • 4）、默认的资源销毁是采用delete，但是shared_ptr也支持用户提供deleter，与unique_ptr不同，不同类型的deleter对shared_ptr的类型没有影响。

网络

主机字节序与网络字节序

主机字节序（CPU 字节序）

概念

主机字节序又叫 CPU 字节序，其不是由操作系统决定的，而是由 CPU 指令集架构决定的。主机字节序分为两种：

  • 大端字节序（Big Endian）：高序字节存储在低位地址，低序字节存储在高位地址
  • 小端字节序（Little Endian）：高序字节存储在高位地址，低序字节存储在低位地址
存储方式

32 位整数 0x12345678 是从起始位置为 0x00 的地址开始存放，则：

内存地址 0x00 0x01 0x02 0x03
大端 12 34 56 78
小端 78 56 34 12

大端小端图片

大端序 小端序

判断大端小端

判断大端小端

可以这样判断自己 CPU 字节序是大端还是小端：

1
2
3
4
5
6
7
8
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11
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13
14

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int i = 0x12345678;

	if (*((char*)&i) == 0x12)
		cout << "大端" << endl;
	else	
		cout << "小端" << endl;

	return 0;
}
各架构处理器的字节序
  • x86（Intel、AMD）、MOS Technology 6502、Z80、VAX、PDP-11 等处理器为小端序；
  • Motorola 6800、Motorola 68000、PowerPC 970、System/370、SPARC（除 V9 外）等处理器为大端序；
  • ARM（默认小端序）、PowerPC（除 PowerPC 970 外）、DEC Alpha、SPARC V9、MIPS、PA-RISC 及 IA64 的字节序是可配置的。

网络字节序

网络字节顺序是 TCP/IP 中规定好的一种数据表示格式，它与具体的 CPU 类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释。

网络字节顺序采用：大端（Big Endian）排列方式。

TCP 与 UDP 的区别

  1. TCP 面向连接，UDP 是无连接的；
  2. TCP 提供可靠的服务，也就是说，通过 TCP 连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达；UDP 尽最大努力交付，即不保证可靠交付
  3. TCP 的逻辑通信信道是全双工的可靠信道；UDP 则是不可靠信道
  4. 每一条 TCP 连接只能是点到点的；UDP 支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
  5. TCP 面向字节流（可能出现黏包问题），实际上是 TCP 把数据看成一连串无结构的字节流；UDP 是面向报文的（不会出现黏包问题）
  6. UDP 没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如 IP 电话，实时视频会议等）
  7. TCP 首部开销20字节；UDP 的首部开销小，只有 8 个字节

TCP 黏包问题

原因

TCP 是一个基于字节流的传输服务（UDP 基于报文的），“流” 意味着 TCP 所传输的数据是没有边界的。所以可能会出现两个数据包黏在一起的情况。

解决
  • 发送定长包。如果每个消息的大小都是一样的，那么在接收对等方只要累计接收数据，直到数据等于一个定长的数值就将它作为一个消息。
  • 包头加上包体长度。包头是定长的 4 个字节，说明了包体的长度。接收对等方先接收包头长度，依据包头长度来接收包体。
  • 在数据包之间设置边界，如添加特殊符号 \r\n 标记。FTP 协议正是这么做的。但问题在于如果数据正文中也含有 \r\n，则会误判为消息的边界。
  • 使用更加复杂的应用层协议。

TCP 传输连接管理

因为 TCP 三次握手建立连接、四次挥手释放连接很重要，所以附上《计算机网络（第 7 版）-谢希仁》书中对此章的详细描述：https://gitee.com/huihut/interview/raw/master/images/TCP-transport-connection-management.png

TCP 三次握手建立连接

UDP 报文

【TCP 建立连接全过程解释】

  1. 客户端发送 SYN 给服务器，说明客户端请求建立连接；
  2. 服务端收到客户端发的 SYN，并回复 SYN+ACK 给客户端（同意建立连接）；
  3. 客户端收到服务端的 SYN+ACK 后，回复 ACK 给服务端（表示客户端收到了服务端发的同意报文）；
  4. 服务端收到客户端的 ACK，连接已建立，可以数据传输。

TCP 为什么要进行三次握手？

【答案一】因为信道不可靠，而 TCP 想在不可靠信道上建立可靠地传输，那么三次通信是理论上的最小值。（而 UDP 则不需建立可靠传输，因此 UDP 不需要三次握手。）

Google Groups . TCP 建立连接为什么是三次握手？{技术}{网络通信}

【答案二】因为双方都需要确认对方收到了自己发送的序列号，确认过程最少要进行三次通信。

知乎 . TCP 为什么是三次握手，而不是两次或四次？

【答案三】为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

《计算机网络（第 7 版）-谢希仁》

TCP 四次挥手释放连接

UDP 报文

【TCP 释放连接全过程解释】

  1. 客户端发送 FIN 给服务器，说明客户端不必发送数据给服务器了（请求释放从客户端到服务器的连接）；
  2. 服务器接收到客户端发的 FIN，并回复 ACK 给客户端（同意释放从客户端到服务器的连接）；
  3. 客户端收到服务端回复的 ACK，此时从客户端到服务器的连接已释放（但服务端到客户端的连接还未释放，并且客户端还可以接收数据）；
  4. 服务端继续发送之前没发完的数据给客户端；
  5. 服务端发送 FIN+ACK 给客户端，说明服务端发送完了数据（请求释放从服务端到客户端的连接，就算没收到客户端的回复，过段时间也会自动释放）；
  6. 客户端收到服务端的 FIN+ACK，并回复 ACK 给服务端（同意释放从服务端到客户端的连接）；
  7. 服务端收到客户端的 ACK 后，释放从服务端到客户端的连接。

TCP 为什么要进行四次挥手？

【问题一】TCP 为什么要进行四次挥手？ / 为什么 TCP 建立连接需要三次，而释放连接则需要四次？

【答案一】因为 TCP 是全双工模式，客户端请求关闭连接后，客户端向服务端的连接关闭（一二次挥手），服务端继续传输之前没传完的数据给客户端（数据传输），服务端向客户端的连接关闭（三四次挥手）。所以 TCP 释放连接时服务器的 ACK 和 FIN 是分开发送的（中间隔着数据传输），而 TCP 建立连接时服务器的 ACK 和 SYN 是一起发送的（第二次握手），所以 TCP 建立连接需要三次，而释放连接则需要四次。

【问题二】为什么 TCP 连接时可以 ACK 和 SYN 一起发送，而释放时则 ACK 和 FIN 分开发送呢？（ACK 和 FIN 分开是指第二次和第三次挥手）

【答案二】因为客户端请求释放时，服务器可能还有数据需要传输给客户端，因此服务端要先响应客户端 FIN 请求（服务端发送 ACK），然后数据传输，传输完成后，服务端再提出 FIN 请求（服务端发送 FIN）；而连接时则没有中间的数据传输，因此连接时可以 ACK 和 SYN 一起发送。

【问题三】为什么客户端释放最后需要 TIME-WAIT 等待 2MSL 呢？

【答案三】

  1. 为了保证客户端发送的最后一个 ACK 报文能够到达服务端。若未成功到达，则服务端超时重传 FIN+ACK 报文段，客户端再重传 ACK，并重新计时。
  2. 防止已失效的连接请求报文段出现在本连接中。TIME-WAIT 持续 2MSL 可使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，这样可使下次连接中不会出现旧的连接报文段。

TCP 有限状态机

TCP 有限状态机图片

TCP 的有限状态机

HTTP

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。HTTP 是万维网的数据通信的基础。

请求方法

方法 意义
OPTIONS 请求一些选项信息，允许客户端查看服务器的性能
GET 请求指定的页面信息，并返回实体主体
HEAD 类似于 get 请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头
POST 向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改
PUT 从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容
DELETE 请求服务器删除指定的页面
TRACE 回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断

状态码（Status-Code）

  • 1xx：表示通知信息，如请求收到了或正在进行处理
    • 100 Continue：继续，客户端应继续其请求
    • 101 Switching Protocols 切换协议。服务器根据客户端的请求切换协议。只能切换到更高级的协议，例如，切换到 HTTP 的新版本协议
  • 2xx：表示成功，如接收或知道了
    • 200 OK: 请求成功
  • 3xx：表示重定向，如要完成请求还必须采取进一步的行动
    • 301 Moved Permanently: 永久移动。请求的资源已被永久的移动到新 URL，返回信息会包括新的 URL，浏览器会自动定向到新 URL。今后任何新的请求都应使用新的 URL 代替
  • 4xx：表示客户的差错，如请求中有错误的语法或不能完成
    • 400 Bad Request: 客户端请求的语法错误，服务器无法理解
    • 401 Unauthorized: 请求要求用户的身份认证
    • 403 Forbidden: 服务器理解请求客户端的请求，但是拒绝执行此请求（权限不够）
    • 404 Not Found: 服务器无法根据客户端的请求找到资源（网页）。通过此代码，网站设计人员可设置 “您所请求的资源无法找到” 的个性页面
    • 408 Request Timeout: 服务器等待客户端发送的请求时间过长，超时
  • 5xx：表示服务器的差错，如服务器失效无法完成请求
    • 500 Internal Server Error: 服务器内部错误，无法完成请求
    • 503 Service Unavailable: 由于超载或系统维护，服务器暂时的无法处理客户端的请求。延时的长度可包含在服务器的 Retry-After 头信息中
    • 504 Gateway Timeout: 充当网关或代理的服务器，未及时从远端服务器获取请求

更多状态码：菜鸟教程 . HTTP状态码

算法

todo

开放性问题

  • 线程和进程的联系和区别
  • 线程有哪几种状态
  • 进程间的通信方式
  • 使用过的 shell 命令
  • 使用过的 vim 命令
  • 使用过的 gdb 命令
  • 请用简单的语言告诉我C++ 是什么？
  • C和C++的区别？
  • 什么是面向对象（OOP）？
  • 什么是多态？
  • STL库用过吗？常见的STL容器有哪些？算法用过哪几个？
  • 解释下封装、继承和多态？
  • TCP和UDP通信的差别？什么是IOCP？
  • 说下你对内存的了解？
  • HTTP和HTTPS的主要区别
  • 如何设计一个高并发的系统

更多开放性问题参考: C++面试集锦( 面试被问到的问题 )

参考

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