C++：Q&A

❓ C++常见问题 Q&A

1. std::map和std::unordered_map主要有哪些区别？分别在什么情况下用会更高效和方便？

std::map 和 std::unordered_map 是 C++ 标准库提供的两种常用的关联容器，它们都用于存储键值对。它们的主要区别在于底层数据结构和性能特征。

（1）底层数据结构

  • std::map 是基于红黑树实现的关联容器，它保持元素的有序性，根据键的比较对元素进行排序。

  • std::unordered_map 是基于哈希表实现的关联容器，它不保持元素的有序性，而是通过哈希函数将键映射到存储桶，以快速查找键。

（2）性能特征

  • std::map 的插入、删除和查找操作的时间复杂度是 O(log n)，其中 n 是元素数量。

  • std::unordered_map 的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度是 O(1)，但在最坏情况下可能会达到 O(n)，其中 n 是存储桶的数量。

（3）适用情况

  • 当需要有序访问元素，或者需要维持元素的插入顺序时，可以选择使用 std::map。例如，需要按键的字典序进行遍历或查找时，std::map 更合适。

  • 当对于元素的插入、删除和查找操作需要较好的平均性能，并且不需要保持元素的顺序时，可以选择使用 std::unordered_map。例如，需要快速查找元素而不关心元素顺序时，std::unordered_map 更合适。

总的来说，std::map 适用于需要有序性和根据键进行排序的场景，而 std::unordered_map 适用于需要快速查找、插入和删除元素的场景，尤其是当元素数量较大时。选择哪种容器取决于你的具体需求和性能考虑。

2. std::vector是如何管理内存的？std::vector的内存布局类似链表？

在C++中，std::vector是一个动态数组容器，它能够自动调整大小以适应存储元素的需要。在管理内存方面，std::vector使用动态内存分配来存储元素，并且会在必要时自动增加或减少内存的分配量。

（1）管理内存过程

  • 初始分配内存：当你创建一个空的std::vector对象时，它并不会立即分配内存。相反，它会等到你添加元素时才会分配内存。通常情况下，std::vector会在添加第一个元素时分配一定数量的内存。

  • 动态调整大小：当你往std::vector中添加元素时，如果当前的容量不足以存储新的元素，std::vector会自动重新分配内存，通常是按照一定的增长率来增加内存容量。这个增长率可以是指数增长的，例如加倍当前容量，也可以是其他策略，取决于具体的实现。

  • 内存释放：当你从std::vector中移除元素时，如果元素的数量显著减少，std::vector可能会释放一部分内存。但是，它通常不会立即释放内存，而是保留一部分以备后续的元素添加。只有当元素的数量显著减少，且内存占用明显超出需要时，才会真正释放多余的内存。

  • 移动语义和复制语义：std::vector支持移动语义和复制语义。通过使用移动语义，当元素被移出一个std::vector并放入另一个时，可以避免不必要的内存复制。这对于提高性能和减少内存使用是非常重要的。

（2）std::vector的内存布局与链表是不同的

  • std::vector是一个动态数组容器，其内存布局是连续的，也就是说，std::vector中的元素在内存中是依次存储的，彼此相邻，可以通过指针算术运算来访问特定索引处的元素。这种连续存储的特性使得std::vector在访问元素时具有很好的性能，因为CPU缓存能够更有效地利用连续的内存访问模式。

  • 相反，链表是一种不同的数据结构，它的内存布局是分散的。链表中的每个节点都包含指向下一个节点的指针，这样的结构使得在访问特定索引处的元素时需要遍历整个链表，而不像std::vector那样可以直接通过指针运算进行访问。这种分散的内存布局可能导致链表在访问元素时性能较差，因为它不能有效地利用CPU缓存。

因此，std::vector与链表在内存形式上是不同的，std::vector使用连续的内存布局，而链表使用分散的内存布局。

3. 对std::move的了解？

（1）std::move
std::move 是一个 C++ 标准库中的函数模板，位于 <utility> 头文件中，用于将对象的所有权从一个对象转移到另一个对象。它通过将左值转换为右值引用来实现这一目的。当我们使用 std::move 时，我们告诉编译器，我们已经不再需要当前对象，并且它可以将资源转移到新对象，而无需进行深层的拷贝。这对于实现移动语义非常有用，可以显著提高性能，尤其是在涉及大型数据结构或者动态分配的资源时。

主要特点包括:

  • 将左值转换为右值引用：std::move 接受一个左值参数，并返回一个对应的右值引用。这样的转换告诉编译器，我们允许它“窃取”左值的资源。

  • 不进行深层拷贝：使用 std::move 不会复制对象的内容，而是将其资源（例如指针或者资源句柄）从一个对象转移到另一个对象。因此，它的性能开销比复制操作要小得多。

  • 不保证对象状态：使用 std::move 后，源对象的状态将是未定义的，即可能是空的、无效的或者处于任何其他未定义的状态。因此，在使用 std::move 后，通常应该避免对源对象进行进一步的操作。

  • 适用于移动语义：std::move 对于实现移动构造函数和移动赋值运算符非常有用，可以避免进行昂贵的深层拷贝操作，而是直接转移资源，从而提高性能。

总的来说，std::move 是 C++ 中用于实现移动语义的重要工具，可以有效地管理对象的资源，提高程序的性能和效率。

（2）当前a的size, b的size各是多少？

vector<int> a(10); 
vector<int> b; 
b = std::move(a);

  • 首先，创建了一个std::vector对象a，并指定其大小为10。因此，a被初始化为一个具有10个元素的std::vector，但这些元素的值未指定，因为int类型的默认构造函数会将其初始化为0。

  • 接着，创建了一个空的std::vector对象b。

  • 然后，使用移动赋值运算符将a的内容移动到b中。在这个过程中，b会接管a中的资源，而a则会被置为空状态。这意味着a中的元素数量变为0，而b中的元素数量变为10，同时b中的元素与a中的元素相同。

  • 所以，a的大小为0，b的大小为10。

4. shared_ptr的引用计数怎么变化？

std::shared_ptr<int> a = std::make_shared<int>(42); 
std::shared_ptr<int> b = a;
  • 在这个情况下，a和b指向相同的对象，引用计数会增加到2。

具体来说，当执行 std::shared_ptr b = a时; b成为a的一个拷贝，指向了与a相同的对象。由于std::shared_ptr使用引用计数来管理资源的生命周期，因此当b指向了a所指向的对象时，对象的引用计数会增加。因为此时a和b都指向了同一个对象，所以该对象的引用计数会增加到2。这表示现在有两个std::shared_ptr指向同一个对象，保证了在两者都被销毁之前，对象都会被保持在内存中。

5. 什么是左值引用？什么是右值引用？

在 C++ 中，左值引用（lvalue reference）和右值引用（rvalue reference）是两种不同的引用类型，用于引用对象。
（1）左值引用（lvalue reference）

-左值引用是通过 & 符号声明的引用类型，例如 int&、const double&。

  • 左值引用可以绑定到左值（lvalue）对象，即具有名称和持久性的对象。

  • 左值引用的生命周期通常与其所引用的对象的生命周期相同，因为它们可以绑定到持久性的对象。

（2）右值引用（rvalue reference）

  • 右值引用是通过 && 符号声明的引用类型，例如 int&&、const double&&。

  • 右值引用可以绑定到临时对象（右值），即不具有名称和短暂性的对象。

  • 右值引用通常用于实现移动语义和完美转发，它们允许我们将临时对象的资源（如内存、资源句柄等）转移给另一个对象，而无需进行昂贵的深层拷贝操作。

左值引用和右值引用在语义上有很大的不同，左值引用主要用于对持久性对象的引用和操作，而右值引用则用于对临时对象的引用和操作，特别是在资源管理和性能优化方面。右值引用的引入使得 C++11 及更高版本能够更好地支持移动语义和完美转发，从而提高了代码的性能和可维护性。

6. 什么是复制构造函数（拷贝构造函数）？什么是移动构造函数？

在 C++ 中，复制构造函数（copy constructor）和移动构造函数（move constructor）都是类的特殊成员函数，用于创建对象的副本或者将资源从一个对象移动到另一个对象。拷贝构造函数是这两者的统称。

（1）复制构造函数（copy constructor）

  • 复制构造函数用于创建一个对象的副本，即以一个同类型的对象作为参数，并创建一个新的对象，其内容与参数对象相同。

  • 复制构造函数的原型通常是 ClassName(const ClassName& other)，其中 ClassName 是类的名称，other 是要复制的对象。

  • 复制构造函数通常通过深层拷贝来创建新对象的副本，即逐一复制参数对象的成员变量的值。它用于创建对象的独立副本，以便对其进行修改而不影响原对象。

（2）移动构造函数（move constructor）
带右值引用参数的拷贝构造和赋值重载函数，又叫移动构造函数和移动赋值函数，这里的移动指的是把临时量的资源移动给了当前对象，临时对象就不持有资源，为nullptr了，实际上没有进行任何的数据移动，没发生任何的内存开辟和数据拷贝。

  • 移动构造函数是 C++11 引入的新特性，用于将资源从一个对象转移到另一个对象，通常是在性能优化方面使用。

  • 移动构造函数的原型通常是 ClassName(ClassName&& other)，其中 ClassName 是类的名称，other 是要移动资源的对象的右值引用。

  • 移动构造函数不进行深层拷贝，而是直接将资源的所有权从一个对象转移到另一个对象。这通常涉及指针或者动态分配的资源，通过简单的指针交换或者资源转移实现，而不需要复制资源的内容。

  • 移动构造函数对于提高性能和减少内存开销非常有用，特别是在涉及临时对象、动态分配的资源或者大型数据结构时。

总的来说，复制构造函数和移动构造函数都是用于创建对象的特殊构造函数，但它们的作用和实现方式有很大的不同。复制构造函数用于创建对象的副本的特殊成员函数，通过复制另一个对象的内容来创建一个新对象，以确保新对象是独立的，而移动构造函数用于将资源从一个对象移动到另一个对象，以提高性能和资源利用率。

posted @ 2024-03-22 00:27  capybara-lsq  阅读(44)  评论(0)    收藏  举报