cc软件开发工程师笔试题及答案

cc软件开发工程师笔试题及答案一、基础理论题（共40分）1.（5分）请说明C++中虚函数表（vtable）的实现机制，当类存在多继承时虚函数表的结构会发生哪些变化？答案：虚函数表是C++实现动态多态的核心机制。每个包含虚函数的类会提供一个虚函数表（静态成员），表中存储该类所有虚函数的函数指针。类的对象内存布局中，第一个成员是虚表指针（vptr），指向对应类的虚函数表。当子类覆盖父类虚函数时，子类虚表会用新函数指针替换父类虚函数的指针位置；若子类新增虚函数，则添加在虚表末尾。多继承场景下（假设类D继承类A和类B），子类D会提供多个虚表（与基类数量相同），每个虚表对应一个基类的继承路径。D对象的内存布局中，vptr按基类声明顺序排列（先A的vptr，后B的vptr）。当通过基类指针（如A或B）调用虚函数时，编译器会根据指针类型选择对应的虚表。若子类覆盖了多个基类的同名虚函数，各虚表中该位置会指向子类的实现；若子类新增虚函数，只会添加到第一个基类（声明顺序）的虚表中。2.（8分）简述C++内存泄漏的常见场景及检测方法。若需在项目中实现一个轻量级内存泄漏检测模块，核心设计点有哪些？答案：常见内存泄漏场景包括：（1）new/malloc分配后未调用delete/free；（2）对象生命周期管理错误（如基类析构函数非虚导致子类资源未释放）；（3）智能指针使用不当（如shared_ptr循环引用）；（4）异常导致的资源未释放（未使用RAII）。检测方法：（1）工具法：Valgrind（Linux）、Purify（商业）、WindowsDebugCRT；（2）代码埋点：重载new/delete操作符，记录分配信息；（3）静态扫描：ClangStaticAnalyzer等工具检测潜在泄漏。轻量级检测模块核心设计点：（1）钩子函数：通过宏替换或直接重载全局new/delete，记录分配地址、大小、调用栈（需考虑性能影响）；（2）内存池管理：维护分配信息表（哈希表或链表），分配时插入记录，释放时删除；（3）泄漏程序结束时遍历分配表，输出未释放的内存信息（地址、大小、调用栈）；（4）线程安全：多线程场景下需用互斥锁保护分配表；（5）性能优化：通过内存池减少频繁系统调用，或提供开关控制检测模块是否启用。3.（7分）请描述TCP三次握手的具体过程，若第三次握手丢失会发生什么？TCP如何处理超时重传？答案：三次握手过程：（1）客户端发送SYN=1，seq=x的连接请求（SYN包）；（2）服务器回复SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1的确认包（SYN-ACK包）；（3）客户端发送ACK=1，seq=x+1，ack=y+1的确认包（ACK包），连接建立。若第三次握手丢失，服务器会认为SYN-ACK未被确认，触发超时重传（默认重传次数为5次，间隔指数增长：1s、2s、4s...）。客户端已认为连接建立，若此时客户端发送数据，服务器收到后会检查ack字段是否匹配：若匹配则完成连接；若不匹配则拒绝并发送RST包。TCP超时重传机制：（1）每个未确认的报文段启动重传定时器；（2）RTT（往返时间）动态计算（通过加权平均算法），重传超时时间（RTO）=RTT估计值+4倍RTT方差；（3）当定时器超时仍未收到ACK，重传该报文段，并将RTO加倍（指数退避）；（4）收到部分ACK时，仅重传未确认的部分（选择性重传需SACK选项支持）。4.（10分）分析以下C++代码的输出结果，并说明原因：```cppinclude<iostream>usingnamespacestd;classBase{public:virtualvoidfunc(intx=10){cout<<"Base::funcx="<<x<<endl;}};classDerived:publicBase{public:voidfunc(intx=20)override{cout<<"Derived::funcx="<<x<<endl;}};intmain(){Basep=newDerived();p->func();deletep;return0;}```答案：输出结果为"Derived::funcx=10"。原因如下：（1）虚函数的动态绑定：p是Base类型指针但指向Derived对象，调用func时触发动态绑定，实际执行Derived::func的实现。（2）默认参数的静态绑定：C++中虚函数的默认参数是静态绑定的（编译时确定），根据调用者的指针/引用类型（Base）选择Base中func的默认参数（x=10）。因此，尽管调用的是Derived的函数实现，但默认参数使用Base类定义的10。（3）override关键字仅确保函数签名匹配（参数类型、常量性等），不影响默认参数的绑定规则。5.（10分）设计一个线程安全的单例模式（C++），要求支持懒汉式初始化，且能防止内存泄漏。请写出完整代码并说明关键设计点。答案：代码实现：```cppinclude<iostream>include<mutex>include<memory>classSingleton{private:Singleton(){std::cout<<"Singletoninitialized"<<std::endl;}~Singleton(){std::cout<<"Singletondestroyed"<<std::endl;}Singleton(constSingleton&)=delete;Singleton&operator=(constSingleton&)=delete;Singleton(Singleton&&)=delete;Singleton&operator=(Singleton&&)=delete;staticstd::mutexmtx;staticstd::unique_ptr<Singleton>instance;public:staticSingletongetInstance(){if(!instance){//第一次检查（无锁）std::lock_guard<std::mutex>lock(mtx);if(!instance){//第二次检查（加锁）instance=std::make_unique<Singleton>();}}returninstance.get();}//辅助类用于自动释放单例实例classGarbageCollector{public:~GarbageCollector(){if(Singleton::instance){deleteSingleton::instance.release();//释放unique_ptr管理的资源}}};staticGarbageCollectorgc;//全局对象，程序结束时调用析构};//静态成员初始化std::mutexSingleton::mtx;std::unique_ptr<Singleton>Singleton::instance;Singleton::GarbageCollectorSingleton::gc;//测试代码intmain(){Singletons1=Singleton::getInstance();Singletons2=Singleton::getInstance();std::cout<<"s1address:"<<s1<<std::endl;std::cout<<"s2address:"<<s2<<std::endl;return0;}```关键设计点：（1）双重检查锁定（DCLP）：第一次检查避免无意义的锁竞争，第二次检查确保多线程下仅创建一次实例。使用std::mutex保证原子性，C++11后内存模型保证了DCLP的正确性（避免指令重排导致的空指针访问）。（2）资源管理：使用std::unique_ptr管理实例，利用其RAII特性自动释放内存。配合GarbageCollector全局对象（程序结束时析构），确保单例实例在程序退出时被正确销毁，避免内存泄漏。（3）构造函数私有化：防止外部实例化，删除拷贝构造、赋值运算符等，禁止对象复制和移动。（4）线程安全：通过互斥锁保证多线程环境下getInstance的原子性，避免多个线程同时创建实例。二、算法与数据结构题（共30分）1.（10分）给定一个整数数组nums和一个整数k，找出数组中和至少为k的最短非空子数组的长度。若不存在这样的子数组，返回-1。要求时间复杂度O(n)或O(nlogn)。示例：nums=[2,-1,2],k=3→输出2（子数组[2,-1,2]和为3，长度3；但子数组[2,-1,2]中存在更短的[2,-1,2]？不，正确示例应为nums=[2,-1,2],k=3时，最短子数组是[2,-1,2]长度3？或者可能我举的示例有误。正确示例应为nums=[1,2,3,4,5],k=11→最短子数组是[3,4,5]长度3（和为12）。可能需要调整示例。假设正确示例为nums=[1,-1,5,-2,3],k=7→输出2（子数组[5,-2,3]和为6不够，[5,-2,3]和为6？可能重新选示例：nums=[3,1,1,2,4],k=7→最短是[3,1,1,2]和为7长度4？或者更典型的情况。）正确示例：nums=[2,1,5,1,3,2],k=7→最短子数组是[5,1,3]（和为9？不，5+1=6不够，5+1+3=9≥7，长度3；或者[1,5,1]和为7，长度3。正确的输入应为nums=[2,1,5,1,3,2],k=7，正确输出是2（子数组[5,1,3]长度3？可能我需要重新构造示例。假设正确示例为nums=[1,2,3,4,5],k=11→最短子数组是3+4+5=12，长度3；nums=[5,-2,7],k=7→最短是[7]长度1。）答案：采用前缀和+单调队列的方法，时间复杂度O(n)。思路：（1）计算前缀和数组sums，其中sums[0]=0，sums[i]=nums[0]+...+nums[i-1]。（2）要求sums[j]-sums[i]≥k，即sums[j]≥sums[i]+k。对于每个j，寻找最小的i（i<j）使得sums[i]≤sums[j]-k，此时子数组长度为j-i。（3）维护一个单调递增的队列，队列中保存可能的i值（sums[i]递增）。遍历j时：a.若队列头部的sums[i]≤sums[j]-k，则记录j-i的长度，并弹出头部（因为后续j更大，i更小的情况长度更长，无需保留）。b.若当前sums[j]小于队列尾部的sums[i]，则弹出尾部（因为对于后续j'，sums[j]比sums[i]更小，更可能满足sums[j']-sums[j]≥k，且j更靠后，长度更短）。代码实现：```cppinclude<vector>include<deque>include<climits>usingnamespacestd;intshortestSubarray(vector<int>&nums,intk){intn=nums.size();vector<long>sums(n+1,0);for(inti=0;i<n;++i){sums[i+1]=sums[i]+nums[i];}deque<int>dq;intres=INT_MAX;for(intj=0;j<=n;++j){//维护单调递增队列while(!dq.empty()&&sums[j]<=sums[dq.back()]){dq.pop_back();}dq.push_back(j);//检查队列头部是否满足条件while(!dq.empty()&&sums[j]-sums[dq.front()]>=k){res=min(res,j-dq.front());dq.pop_front();}}returnres==INT_MAX?-1:res;}```2.（10分）给定一棵二叉树的前序遍历序列和后序遍历序列，重建该二叉树并返回根节点。若无法唯一重建，说明原因。示例：前序=[1,2,4,5,3,6,7]，后序=[4,5,2,6,7,3,1]→输出对应的二叉树根节点。答案：无法唯一重建，当存在仅有一个子节点的父节点时，前序和后序无法区分左右子树。思路：前序第一个元素是根节点，后序最后一个元素是根节点。前序第二个元素是根的左子节点（假设存在左子树），在后序中找到该左子节点的位置，其左边是左子树的后序，右边是右子树的后序。但如果根节点只有左子树或只有右子树，前序的第二个元素可能是左或右子节点，导致多解。代码实现（假设可以唯一重建的情况，如满二叉树）：```cppstructTreeNode{intval;TreeNodeleft;TreeNoderight;TreeNode(intx):val(x),left(nullptr),right(nullptr){}};TreeNodebuildTree(vector<int>&preorder,vector<int>&postorder){if(preorder.empty())returnnullptr;TreeNoderoot=newTreeNode(preorder[0]);if(preorder.size()==1)returnroot;intleft_val=preorder[1];intleft_idx=0;while(postorder[left_idx]!=left_val)left_idx++;intleft_size=left_idx+1;vector<int>pre_left(preorder.begin()+1,preorder.begin()+1+left_size);vector<int>pre_right(preorder.begin()+1+left_size,preorder.end());vector<int>post_left(postorder.begin(),postorder.begin()+left_size);vector<int>post_right(postorder.begin()+left_size,postorder.end()-1);root->left=buildTree(pre_left,post_left);root->right=buildTree(pre_right,post_right);returnroot;}```无法唯一重建的情况示例：前序=[1,2],后序=[2,1]。此时根节点1的子节点2可能是左子或右子，两种结构均满足前序和后序序列。3.（10分）实现一个函数，将字符串分割为若干子串，使得每个子串都是回文。要求返回所有可能的分割方案中，子串数量最少的方案（若有多个，返回任意一个）。示例：输入"aab"，输出["aa","b"]（子串数量2，比["a","a","b"]更优）。答案：采用动态规划+贪心的方法，先预处理回文子串，再反向贪心选择最长回文后缀。思路：（1）预处理二维数组dp[i][j]，表示s[i..j]是否为回文。（2）从后往前遍历字符串，记录每个位置i的最小分割数min_cut[i]，并记录分割点prev[i]（即i位置的最优分割点）。（3）最后从后向前回溯prev数组，得到最少分割的子串。代码实现：```cppinclude<vector>include<string>include<algorithm>usingnamespacestd;vector<string>minPalindromePartition(strings){intn=s.size();vector<vector<bool>>dp(n,vector<bool>(n,false));for(inti=n-1;i>=0;--i){for(intj=i;j<n;++j){if(i==j)dp[i][j]=true;elseif(j==i+1)dp[i][j]=(s[i]==s[j]);elsedp[i][j]=(s[i]==s[j]&&dp[i+1][j-1]);}}vector<int>min_cut(n+1,INT_MAX);vector<int>prev(n+1,-1);min_cut[0]=0;for(intj=1;j<=n;++j){for(inti=0;i<j;++i){if(dp[i][j-1]&&min_cut[i]!=INT_MAX){if(min_cut[j]>min_cut[i]+1){min_cut[j]=min_cut[i]+1;prev[j]=i;}}}}vector<string>res;intcur=n;while(cur>0){intstart=prev[cur];res.push_back(s.substr(start,cur-start));cur=start;}reverse(res.begin(),res.end());returnres;}```三、系统设计题（共20分）设计一个高并发的日志系统，要求支持每秒10万+条日志写入，且能保证日志不丢失。需要考虑以下场景：-日志类型包括调试（DEBUG）、信息（INFO）、警告（WARN）、错误（ERROR）-支持按日志级别动态调整输出策略（如生产环境关闭DEBUG日志）-日志需要落地到磁盘，同时支持实时查询最近1小时的日志请说明核心设计点，包括架构设计、关键数据结构、容错机制、性能优化策略。答案：核心设计点：1.架构分层：（1）生产者层：业务线程通过日志API（如LOG_DEBUG("...")）提交日志，API将日志封装为结构体（包含时间戳、级别、内容、线程ID等），放入无锁队列（如Disruptor）。（2）消费者层：独立的日志处理线程池（数量为CPU核心数），从队列中批量取出日志（减少锁竞争），进行级别过滤、格式化处理。（3）存储层：a.内存缓冲区：使用环形缓冲区（如RingBuffer）暂存最近1小时的日志，支持实时查询（通过时间戳索引）。b.磁盘持久化：将日志分块写入（每块128MB），采用异步IO（如Linux的aio或spdk），写入完成后提供索引文件（记录块号、时间范围）。2.关键数据结构：（1）无锁队列：使用Disruptor模式，多生产者单消费者（或多消费者按序号分配），避免锁竞争。（2）日志索引：内存中维护时间戳到日志位置的跳表（SkipList），支持O(logn)时间查询；磁盘索引采用B+树，按时间范围组织块文件。（3）级别过滤器：使用位掩码（如DEBUG=1<<0,INFO=1<<1等），通过原子变量动态调整，处理线程实时读取该变量决定是否过滤日志。3.容错机制：（1）内存缓冲持久化：当内存缓冲区达到阈值（如80%），触发同步刷盘；程序崩溃时，通过预写日志（WAL）记录未刷盘的日志元数据，重启时恢复。（2）磁盘写入容错：采用双副本写入（主盘+从盘），写入主盘成功后返回，从盘异步同步；检测到磁盘错误时，切换至备用磁盘并告警。（3）流量控制：当队列长度超过阈值（如100万条），触发背压机制，业务线程阻塞或丢弃低级别日志（如DEBUG），保证核心日志（ERROR）不丢失。4.性能优化策略：（1）批量处理：消费者线程每次处理1000条日志（可配置），减少系统调用次数；格式化时使用预分配的缓冲区，避免多次内存分配。（2）异步IO：磁盘写入使用非阻塞IO，配合线程池处理IO完成事件；内存缓冲区使用mmap映射到文件，减少用户态到内核态的拷贝。（3）CPU亲和性：日志处理线程绑定固定CPU核心，避免线程切换开销；NUMA架构下，队列和缓冲区分配在对应节点内存。（4）压缩存储：对磁盘日志块进行LZ4压缩（高压缩比+低CPU消耗），减少磁盘IO占用。四、场景应用题（共10分）某在线交易系统的支付接口出现性能问题，表现为高峰期响应时间从200ms上升到2s，且错误率增加（5%的请求返回504GatewayTimeout）