2025年高频谷歌c面试题及答案

2025年高频谷歌c面试题及答案智能指针的核心区别与循环引用解决unique_ptr通过独占所有权管理资源，其拷贝构造函数和赋值运算符被显式删除，仅支持移动语义转移所有权。默认使用delete释放资源，但可自定义删除器（如管理文件描述符时用close）。适用于资源生命周期明确归属单一对象的场景，例如函数内部动态分配的临时对象，用unique_ptr可避免手动释放。shared_ptr基于引用计数实现共享所有权，多个指针共享资源时，引用计数递增；任一指针销毁时计数递减，计数归零则释放资源。支持自定义删除器（如释放数组用delete[]），适用于资源需被多个模块共享的场景（如全局配置对象）。但需警惕循环引用：若对象A持有指向对象B的shared_ptr，对象B同时持有指向A的shared_ptr，两者引用计数无法归零，导致资源泄漏。weak_ptr是弱引用指针，不参与引用计数，仅观察shared_ptr管理的资源。通过lock()方法可获取shared_ptr（若资源未释放），用于打破循环引用。例如，父类用shared_ptr管理子类，子类用weak_ptr指向父类，父类销毁时子类引用计数归零，资源正常释放。虚函数表的实现与多继承场景含虚函数的类会提供虚函数表（vtable），存储虚函数地址的数组。对象内存首地址为虚表指针（vptr），指向类对应的vtable。构造对象时，构造函数初始化vptr指向本类vtable。单继承中，派生类vtable覆盖基类被重写的虚函数，新增虚函数添加在表尾。例如，基类有funcA()、funcB()，派生类重写funcA()并新增funcC()，则派生类vtable中funcA()指向派生类实现，funcB()保留基类实现，funcC()位于表尾。多继承时，派生类为每个基类提供独立vtable。对象内存包含多个vptr（按继承顺序排列）。如类D继承A和B（均含虚函数），D对象布局为：A的vptr、A成员、B的vptr、B成员、D成员。通过基类指针调用虚函数时，编译器调整指针偏移至对应基类子对象位置，再通过vptr访问vtable。汇编层面，虚函数调用流程为：从对象地址取vptr（如movrax,[rdi]，rdi为对象指针），从vptr取虚函数地址（如movrax,[rax+8]，8为函数偏移），最终调用该地址（callrax）。多继承时需先调整指针（如addrdi,offset_of_B_in_D），再执行上述步骤。移动语义与右值引用的实践C++11引入右值引用（T&&），区分左值（可取地址的表达式）和右值（临时对象、字面量）。移动语义通过移动构造函数和移动赋值运算符，将资源从右值对象转移至新对象，避免深拷贝。例如，vector的移动构造函数直接复制内部指针，原vector置空，时间复杂度O(1)，而拷贝构造需O(n)复制元素。std::move将左值转换为右值引用，触发移动操作。需注意std::move不移动任何数据，仅标记对象可被移动。移动构造函数需确保原对象处于有效但未定义状态（如string移动后为空字符串）。优化场景：函数返回局部对象时，编译器自动应用RVO（返回值优化）或NRVO（命名返回值优化），直接构造目标对象，避免拷贝。若无法优化（如返回条件分支中的不同对象），移动语义可将局部对象移动至目标，提升性能。线程安全队列的实现使用std::mutex和std::condition_variable实现阻塞队列：```cppinclude<queue>include<mutex>include<condition_variable>template<typenameT>classThreadSafeQueue{std::queue<T>q;mutablestd::mutexm;std::condition_variablecv_push,cv_pop;size_tmax_size;public:explicitThreadSafeQueue(size_tsize=10):max_size(size){}voidpush(Tval){std::unique_lock<std::mutex>lock(m);cv_push.wait(lock,[this]{returnq.size()<max_size;});q.push(std::move(val));cv_pop.notify_one();}booltry_pop(T&val){std::lock_guard<std::mutex>lock(m);if(q.empty())returnfalse;val=std::move(q.front());q.pop();cv_push.notify_one();returntrue;}voidwait_pop(T&val){std::unique_lock<std::mutex>lock(m);cv_pop.wait(lock,[this]{return!q.empty();});val=std::move(q.front());q.pop();cv_push.notify_one();}boolempty()const{std::lock_guard<std::mutex>lock(m);returnq.empty();}};```关键点：push时若队列满，cv_push等待；pop时若队列空，cv_pop等待。使用std::unique_lock允许条件变量等待时解锁，唤醒后重新加锁。notify_one唤醒一个等待线程，避免惊群效应。无锁队列可通过CAS（Compare-And-Swap）实现，利用原子操作保证线程安全。例如，使用原子指针指向队列头尾，插入/删除时通过CAS更新指针，需处理ABA问题（通过版本号解决）。STL容器的选择与优化vector基于连续内存存储，支持O(1)随机访问，扩容时重新分配内存并复制元素（扩容因子通常为2，减少扩容次数）。优化建议：预先reserve足够空间避免多次扩容；使用emplace_back替代push_back，直接构造元素避免临时对象拷贝。unordered_map基于哈希表，平均O(1)查找，需处理哈希冲突（开放寻址法或链地址法）。选择场景：需快速查找且键值无顺序要求时使用；若键值需有序（如遍历按顺序），则选map（基于红黑树，O(logn)查找）。emplace与insert的区别：emplace通过参数直接构造元素，避免临时对象创建。例如，插入pair<int,string>时，insert需构造临时pair再复制，emplace直接传递int和string参数构造，效率更高。C++20协程的异步应用C++20协程通过co_await、co_yield、co_return关键字实现，将异步代码写为同步风格。协程挂起时保存上下文（寄存器、局部变量），唤醒时恢复，避免线程阻塞。示例：用协程实现异步文件读取：```cppinclude<coroutine>include<future>include<iostream>structFileReadAwaiter{intfd;charbuffer;size_tsize;boolawait_ready()constnoexcept{returnfalse;}voidawait_suspend(std::coroutine_handle<>h)noexcept{//注册异步读回调，完成后调用h.resume()async_read(fd,buffer,size,[h](){h.resume();});}size_tawait_resume()constnoexcept{returnget_read_result();//获取实际读取字节数}};std::future<size_t>read_file(intfd,charbuffer,size_tsize){co_returnco_awaitFileReadAwaiter{fd,buffer,size};}//使用autof=read_file(0,buf,1024);f.wait();std::cout<<"Read"<<f.get()<<"bytes\n";```协程优势：减少线程切换开销，提升异步IO吞吐量；代码结构更清晰，避免回调地狱。constexpr的编译时计算演进C++11中constexpr限制较多（函数体仅能包含return语句，变量需初始化且用常量表达式），用于编译时计算简单值（如阶乘）。C++14允许函数体包含更多语句（循环、条件判断），C++20进一步支持constexprnew/delete、虚函数调用（在constexpr上下文中）、范围for循环等。示例：C++20constexpr计算斐波那契数列：```cppconstexprintfib(intn){if(n<=1)returnn;inta=0,b=1;for(inti=2;i<=n;++i){intc=a+b;a=b;b=c;}returnb;}constexprintval=fib(10);//编译时计算为55```应用场景：编译时配置校验（如数组大小、哈希值预计算）、元编程（提供类型或值），减少运行时计算开销。内存泄漏检测与自定义分配器内存泄漏常见场景：原始指针new后未delete、shared_ptr循环引用、异常导致析构函数未调用。检测工具：Valgrind（动态分析）、AddressSanitizer（编译时插桩）、VisualStudio的_CrtDumpMemoryLeaks。自定义分配器用于优化内存管理（如对象池减少malloc调用）。示例：```cpptemplate<typenameT>structPoolAllocator{usingvalue_type=T;PoolAllocator()=default;template<typenameU>PoolAllocator(constPoolAllocator<U>&){}Tallocate(size_tn){returnstatic_cast<T>(MemoryPool::get().allocate(nsizeof(T)));}voiddeallocate(Tp,size_tn){MemoryPool::get().deallocate(p,nsizeof(T));}};//使用std::vector<int,PoolAllocator<int>>vec;```MemoryPool可预分配大块内存，用链表管理空闲块，分配/释放时直接操作链表，效率高于标准分配器。模板元编程与类型特征std::type_traits提供编译时类型信息查询（如std::is_integral判断是否为整数类型）。结合std::enable_if可实现模板函数重载。示例：根据类型选择不同处理逻辑：```cpptemplate<typenameT,typename=std::enable_if_t<std::is_integral_v<T>>>voidprocess(Tval){std::cout<<"Integral:"<<val<<"\n";}template<typenameT,typename=std::enable_if_t<std::is_floating_point_v<T>>>voidprocess(Tval){std::cout<<"Floating:"<<val<<"\n";}```当传入int时调用第一个重载，传入double时调用第二个。异常安全与noexcept实践异常安全三级别：基本保证：操作失败后对象处于有效状态（无资源泄漏，数据未破坏）。强保证：操作失败后对象状态与操作前一致（“全或无”）。不抛异常保证：操作绝对不抛出异常（如移动构造函数标记为noexcept）。noexcept说明符声明函数不会抛出异常，编译器可优化（如不提供异常展开代码）。移动构造函数应标记noexcept，以便STL容器（如vector）在扩容时优先使用移动而非拷贝。单例模式的线程安全实现C++11起，局部静态变量初始化是线程安全的（编译器提供代码保证仅初始化一次），推荐实现：```cppclassSingleton{Singleton()=default;public:Singleton(constSingleton&)=delete;Singleton&operator=(constSingleton&)=delete;staticSingleton&get(){staticSingletoninstance;returninstance;}};```双重检查锁定（DCLP）需注意内存可见性问题，C++11前可能因指令重排导致未初始化的实例被访问。C++11后使用std::atomic保证可见性，实现如下：```cppclassSingleton{staticstd::atomic<Singleton>instance;staticstd::mutexm;Singleton()=default;public:staticSingleton&get(){Singletonptr=instance.load(std::memory_order_acquire);if(!ptr){std::lock_guard<std::mutex>lock(m);ptr=instance.load(std::memory_order_relaxed);if(!ptr){ptr=newSingleton();instance.store(ptr,std::memory_order_release);}}returnptr;}};```std::function与回调机制std::function封装可调用对象（函数、lambda、成员函数），实现类型擦除。结合std::bind可绑定参数或对象实例。示例：```cppinclude<functional>include<iostream>classEventEmitter{std::vector<std::function<void(int)>>listeners;public:voidon(std::function<void(int)>cb){listeners.push_back(cb);}voidemit(intdata){for(auto&cb:listeners)cb(data);}};intmain(){EventEmitteremitter;emitter.on([](intx){std::cout<<"Event:"<<x<<"\n";});emitter.emit(42);//输出"Event:42"return0;}```C+