C++进阶问题-智能指针&继承&sizeof

智能指针

请讲一下智能指针原理，并实现一个简单的智能指针

• 智能指针其实不是一个指针。它是一个用来帮助我们管理指针的类，维护其生命周期的类。有了它，妈妈再也不用担心我的内存泄露啦！

• 需要解决的问题：

  • 怎么释放内存？
  • 什么时候释放内存？

• 释放内存方法一：同归于尽！ auto_ptr

• 释放内存方法二：引用计数！

  • 引用计数：对一个指针所指向的内存，目前有多少个对象在使用它
  • 当引用计数为0的时候，删除对象
  • 多个智能指针共享同v 一个引用计数类
  • 在进行赋值等操作时，动态地维护引用计数

• 实现，有两个问题需要解决

  1. 如何对指针引用的内存进行计数
  2. 如何改进SmartPointer类使得它能够动态地维护引用计数

Counter类实现

class Counter {
    friend class SmartPointPro;
public:
    Counter(){
        ptr = NULL;
        cnt = 0;
    }
    Counter(Object* p){
        ptr = p;
        cnt = 1;
    }
    ~Counter(){
        delete ptr;
    }

private:
    Object* ptr;
    int cnt;
};

SmartPointPro类 未考虑线程安全

• 如何动态维护引用计数？引用计数改变发生在如下时刻：
  1. 调用构造函数时： SmartPointer p(new Object());
  2. 赋值构造函数时： SmartPointer p(const SmartPointer &p);
  3. 赋值时：SmartPointer p1(new Object()); SmartPointer p2 = p1;

class SmartPointPro {
public:
    SmartPointerPro(Object* p){
        ptr_counter = new Counter(p);
    }
    SmartPointerPro(const SmartPointerPro &sp){
        ptr_counter = sp.ptr_counter;
        ++ptr_counter->cnt;
    }
    SmartPointerPro& operator=(const SmartPointerPro &sp){
        ++sp.ptr_counter->cnt;
        --ptr_counter.cnt;
        if(ptr_counter.cnt == 0)
            delete ptr_counter;
        ptr_counter = sp.ptr_counter;
    }
    ~SmartPointerPro(){
        --ptr_counter->cnt;
        if(ptr_counter.cnt == 0)
            delete ptr_counter;
    }
private:
    Counter *ptr_counter;
};

怎么样获取智能指针所包装的指针呢？

• method1: 写GetPtr(), GetObject()等函数
• method2: 重载指针的操作符，->/*

STL中的四种智能指针

• auto_ptr: 弱版本的智能指针，赋值会有问题
• shared_ptr: 引用计数版本
• weak_ptr: 解决循环引用的问题
• unique_ptr: auto_ptr的改进版本,不允许直接赋值，可以移动

单例模式

//机智的Meyers写法,优雅而线程安全

class Singleton{
private:
    Singleton(){}
    Singleton(const Singleton& s){}
    Singleton& operator=(const Singleton& s){}
public:
    static Singleton* GetInstance() {
        static Singleton instance;
        return &instance;
    }
}

struct对齐问题

• 笔试、面试中的超高频问题：

struct Q{
    char c;
    int num1;
    double num2;
};

• 问上述代码中sizeof(Q)为多少？ 16
• 实际上这是考察struct结构地址对齐的问题
• struct的对其系数和以下几个关系有关
  1. 元素大小
  2. 元素顺序
  3. #pargma pack参数

对齐规则

• struct中成员在内存中按顺序排列，在没有#pargma pack(n)的情况下，各个成员的对齐系数为自己的长度
• 在有#pargma pack(n)的情况下，各个成员的对齐系数为min(自己的长度，n)
• struct整体的对齐系数为对齐系数中最大的
• 依次排列时要满足地址对对齐系数取模为0

C++虚函数相关问题

C++中为什么要使用虚函数

• Base类和派生类都有相同的函数接口,但是考虑到不同的派生类的特性,可以用虚函数来使用不同的实现
• 虚函数实现动态绑定,提高程序的灵活性
• 实现动态绑定的两个条件
  1. 相应成员函数为虚函数
  2. 使用基类对象的引用或指针进行调用

请说明C++虚函数的底层实现机制

出现频率: 5星 题目难度: 4星 使用范围: 所有公司

• 虚函数表: 一个类的虚函数的地址表,所有对象都是通过它来找到合适的虚函数. 他就是这个类的"四十二章经"

• 虚函数表指针: 每个类的对象实例都拥有一个指针指向这张虚函数表(一般在对象实例的最前面),它帮助对象找到这张表的地址,然后就可以遍历其中的函数指针,调用相应的函数

• 注意:虚函数表一个类有一个,而不是一个对象有一个

• 子类的虚函数表是子类的,从父类拷贝一份过来,并进行修改. 和父类并不是共享

• 那么发生继承覆盖时发生了什么呢?

  1. 单继承没有覆盖: 拷贝一份父类的虚函数表,然后添上自己的函数
  2. 单继承有覆盖: 拷贝一份父类的虚函数表,有重载的将其替换
  3. 多继承无覆盖: 子类的虚函数被放在了第一个父类中
  4. 多继承有覆盖: 覆盖的部分就修改,三个父类拷贝过来的虚函数表都进行了覆盖

• 普通函数不进入虚函数表

• C++本身是没有类地址的,虚函数表放在代码段或者数据段的

• 如果没有在子类中重载,调用的就还是父类的虚函数实现.

国内的面试题和虚函数有关的题

题目1:为什么需要虚析构函数?

• 若析构函数非虚,用基类指针去new一个派生类对象时,调用delete时,只会析构派生类对象的基类部分
• 如果子类有资源需要释放,则析构函数一定要写成虚函数

题目2:析构函数一定是虚函数吗?

• 不一定
• 在没有资源需要释放,或者final类型的类也不需要

题目3:访问虚函数和普通函数哪个快?

• 显然是普通函数
• 普通函数在编译阶段就确定了,访问时可以直接调到对应的地址执行.
• 虚函数需要在虚函数表中查找,有一定的耗时
• 此外,由于有虚函数表的存在,因此会有一定的内存占用

题目4:内联函数/构造函数/静态成员函数可以是虚函数吗

• 否 否 否
• 内联函数是编译时展开,虚函数是运行时绑定,存在冲突,不能是虚函数
• 构造函数,子类在构造过程中,先构造父类,此时还没有生成子类成员,此时无法动态绑定
• 静态成员函数不存在this指针

题目5: 构造函数中可以调用虚函数吗?

• 不可以. 调用构造函数后如果有多层继承关系，实际上会从最顶层的基类从上往下构造，如果此时调用了一个子类的虚函数，其尚未被构造出来，这样的函数行为就是完全不可预测的。

C++虚继承相关问题

• 解决菱形继承带来的二义性的问题
• 中间层继承基类方式为虚继承, virtual public Base
• 实现原理和编译器高度相关,VC++实现思路如下:
  • 在mid1和mid2对象中添加虚基类指针,指向基类对象Base,这样Mid1和Mid2中就会指向共同的基类成员,从而消除了二义性
• 在开发中应该尽量避免

C++虚继承中的sizeof

• 遇到这样的题,只能说明面试官在耍流氓,因为都是和编译器高度相关的,没有唯一答案
• 但是我们要知道类的大小取决于哪些因素:
  1. 类成员的大小
  2. 虚函数表指针大小(是否和父类共享)
  3. 虚基类指针

先看下面的一段代码

class A {
public:
    int a;
    virtual void myfunA(){}
};

class B : virtual public A{
public:
    virtual void myfunB(){}
};

class C : virtual public A{
public:
    virtual void myfunC(){}
};

class D: public B, public C{
public:
    virtual void myfunD(){}
};

int main (){
    cout << sizeof(A) << endl;
    cout << sizeof(B) << endl;
    cout << sizeof(C) << endl;
    cout << sizeof(D) << endl;
    return 0;
}

• 在VC++下,答案为: 8, 16, 16, 24

• 在g++ 32位机器下,答案为: 8, 12, 12, 16

• 分析VC++

  • 对A, int a(4B) + vptr(4B) = 8 Bytes
  • 对B与C, A的内容(8B) + vptrOfSelf(4B) + 指向Base的虚基类指针(4B) = 16Bytes
  • B + C - A = 16 + 16 - 8 = 24 (? 存疑 !)

C++对象内存模型

• 单一的一般继承
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• 多重继承
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• 钻石形重复继承--没有使用虚继承
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• 钻石形多重虚拟继承,下面给出gcc的结果
  [图片上传失败...(image-80a507-1516850329498)]