C++细节知识for面试

1. linux上C++程序可用的栈和堆大小分别是多少，为什么栈大小小于堆？

1. 栈（Stack）大小

栈默认为8MB，可修改。

为什么是这个大小：

• ​安全性：限制栈大小可防止无限递归或过深的函数调用导致内存耗尽。
• ​多线程优化：每个线程的栈独立，较小的默认值避免内存浪费（线程数多时，总内存消耗可能激增）。

2. 堆（Heap）大小

• ​默认限制：

  • 堆的大小受限于系统的虚拟内存地址空间和物理内存+交换空间（Swap）​。
  • 在64位系统上，理论最大值为 ​128 TB​（Linux内核默认配置），实际受物理资源和进程地址空间限制。
  • 在32位系统上，通常最大为 ​3 GB​（受限于用户空间地址范围）。

• ​为什么是这个大小：

• ​动态分配灵活性：堆用于动态内存分配，需支持程序运行时按需扩展。
• ​操作系统虚拟内存管理：64位系统地址空间极大，但实际分配取决于物理内存和Swap。

2. 构造函数和析构函数可以声明为inline吗，为什么？

1. 语法可行性

• ​可以声明为 inline：C++标准允许构造函数和析构函数声明为 inline。

• ​隐式 inline：在类定义内部直接实现的构造函数和析构函数，默认会被编译器视为 inline，无需显式声明。

• 显式 inline：在类外定义时，需显式添加 inline 关键字。

2. 最佳实践

1. ​优先隐式 inline：在类定义内直接实现简单的构造函数/析构函数。
2. ​避免复杂逻辑：若构造/析构函数涉及动态内存、虚函数或异常，避免内联。

总结

• ​可以声明为 inline：语法支持且对简单场景有效。
• ​需谨慎使用：复杂逻辑或涉及虚函数时，内联可能适得其反。
• ​依赖编译器决策：最终是否内联由编译器优化策略决定。

3. 函数作用域结束后，变量的析构，是有谁来进行的？

在 C++ 中，​函数作用域结束后，变量的析构是由编译器自动插入的代码触发的。

编译器如何实现自动析构？

1. ​代码插入：编译器在作用域结束处（如 } 前）插入析构函数调用。
2. ​异常安全：即使作用域因异常提前退出，编译器仍会插入析构代码（利用栈展开机制）。
3. ​逆序析构：保证对象按创建的逆序析构，避免依赖问题。

4. struct和class的区别？

struct 和 class 的内存对齐规则是完全相同的，唯一的区别在于默认的访问控制权限（struct 默认 public，class 默认 private）。

5. atomic, mutex底层实现？

1. std::atomic 的底层实现

std::atomic 用于实现无锁（lock-free）或低竞争（low-contention）的原子操作，其性能远高于互斥锁。

​**(1) 硬件支持**

• ​原子指令：直接使用 CPU 提供的原子指令，例如：
  • ​x86 架构：LOCK 前缀指令（如 LOCK CMPXCHG 实现 CAS）。
  • ​ARM 架构：LDREX/STREX 指令（Load-Exclusive/Store-Exclusive）。
• ​内存屏障（Memory Barriers）​：保证内存操作的顺序性，例如 std::memory_order 相关的屏障指令。

2. std::mutex 的底层实现

std::mutex 是互斥锁，用于保护临界区，其实现依赖操作系统内核的调度。

​**(1) Linux 实现（基于 pthread_mutex_t）​**

• ​轻量级锁（Futex）​：快速用户空间互斥锁（Fast Userspace Mutex）。
  • ​无竞争时：完全在用户空间通过原子操作（如 CAS）完成加锁/解锁。
  • ​有竞争时：通过系统调用（futex_wait, futex_wake）挂起或唤醒线程。
• ​锁类型：
  • ​普通锁（PTHREAD_MUTEX_DEFAULT）​：可能死锁，无错误检查。
  • ​递归锁：允许同一线程多次加锁。
  • ​自适应锁：在竞争激烈时退化为内核态锁。

3. 对比与选择

​特性	std::atomic	std::mutex
​实现基础	硬件原子指令 + 可能的锁模拟	操作系统内核机制（Futex/CRITICAL_SECTION）
​性能	无锁时极快（纳秒级）	无竞争时快（约 20-50 ns），有竞争时较慢
​适用场景	简单原子操作（计数器、标志位）	复杂临界区（需保护多步操作）
​内存开销	通常较小（与数据类型对齐）	较大（需存储锁状态和等待队列）
​线程阻塞	无（自旋或原子操作）	可能阻塞（进入内核等待）

6. 线程的挂起和执行在用户态还是内核态？

1. 两种情况

• ​内核级线程：挂起和执行由内核态管理，是现代操作系统的默认选择（如Linux的pthread）。
• ​协程：完全在用户态实现，适用于高并发但需结合多线程利用多核。

2. 内核级线程（Kernel-Level Threads, KLT）​

• ​管理方式：由操作系统内核直接支持，每个线程是内核调度的基本单位（如Linux的pthread）。
• ​挂起与执行：
  • ​内核态操作：线程的创建、销毁、调度（挂起/恢复）需通过系统调用，由内核完成。
  • ​内核感知：内核直接管理线程状态（就绪、运行、阻塞等）。
• ​优点：
  • ​并行性：线程可分配到不同CPU核心并行执行。
  • ​阻塞隔离：一个线程阻塞不会影响同一进程内其他线程。
• ​缺点：
  • 切换开销大（需切换到内核态）。
  • 线程数量受内核限制。

3. 协程（Coroutine）——用户态的轻量级并发

• ​管理方式：完全在用户态由程序或运行时库（如Golang的goroutine）控制。
• ​挂起与执行：
  • ​用户态切换：协程主动让出（yield）或恢复（resume），不依赖内核调度。
  • ​非抢占式：协程需显式让出CPU，通常与事件循环（如epoll）配合。
• ​适用场景：高并发I/O密集型任务（如网络服务器）。

7. 谈一谈new/delete和malloc/free的区别和联系?

1. 核心区别

​特性	new/delete (C++ 运算符)	malloc/free (C 标准库函数)
​语法与类型安全	是运算符，无需类型转换（自动匹配类型）	是函数，需显式类型转换（返回 void*）
​构造函数/析构函数	调用构造函数（new）和析构函数（delete）	不调用构造函数/析构函数
​内存大小计算	自动根据类型计算内存大小（如 new int）	需手动计算（如 malloc(sizeof(int)*n)）
​异常处理	失败时抛出 std::bad_alloc 异常	失败时返回 NULL（需手动检查）
​内存来源	从自由存储区（free store）​分配	从堆（heap）​分配
​重载支持	可重载类的 operator new/delete	不可重载
​内存对齐	自动满足类型的对齐要求	需手动处理对齐（如 aligned_alloc）
​多态支持	支持（通过虚析构函数正确释放派生类对象）	不支持（需手动管理派生类内存）
​扩展功能	支持 placement new（在指定内存构造对象）	不支持
​与 C++ 特性结合	兼容智能指针（如 std::unique_ptr）	需额外封装才能安全使用

8. 解决内存泄漏？

**(1) 使用 Valgrind 检测泄露**

valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all ./your_program

• ​输出示例：

  ==12345== 40 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
  ==12345==    by 0x123456: main (main.c:10)

**(2) 分析代码**

定位到泄露位置后，检查以下常见原因：

• ​忘记释放内存：malloc/new 未配对 free/delete。
• ​异常路径未释放：如 return 或 throw 前未释放资源。
• ​循环引用​（智能指针）：std::shared_ptr 循环引用导致无法自动释放。

​**(3) 修复并验证**

• ​修复代码：添加释放逻辑或使用 RAII（如 std::unique_ptr）。
• ​重新测试：重复步骤 1 确保泄露消失