首页 / C/C++ 面试知识总结 / C/C++ 语言基础 C/C++ 语言基础
const
作用
修饰变量,说明该变量不可以被改变;
修饰指针,分为指向常量的指针(pointer to const)和自身是常量的指针(常量指针,const pointer);
修饰引用,指向常量的引用(reference to const),用于形参类型,即避免了拷贝,又避免了函数对值的修改;
修饰成员函数,说明该成员函数内不能修改成员变量。
const 的指针与引用
指针
指向常量的指针(pointer to const)
自身是常量的指针(常量指针,const pointer)
引用
指向常量的引用(reference to const)
没有 const reference,因为引用只是对象的别名,引用不是对象,不能用 const 修饰
(为了方便记忆可以想成)被 const 修饰(在 const 后面)的值不可改变,如下文使用例子中的 p2、p3
使用
const 使用
// 类
class A
{
private:
const int a; // 常对象成员,可以使用初始化列表或者类内初始化
public:
// 构造函数
A() : a(0) { };
A(int x) : a(x) { }; // 初始化列表
// const可用于对重载函数的区分
int getValue(); // 普通成员函数
int getValue() const; // 常成员函数,不得修改类中的任何数据成员的值
};
void function()
{
// 对象
A b; // 普通对象,可以调用全部成员函数
const A a; // 常对象,只能调用常成员函数
const A *p = &a; // 指针变量,指向常对象
const A &q = a; // 指向常对象的引用
// 指针
char greeting[] = "Hello";
char* p1 = greeting; // 指针变量,指向字符数组变量
const char* p2 = greeting; // 指针变量,指向字符数组常量(const 后面是 char,说明指向的字符(char)不可改变)
char* const p3 = greeting; // 自身是常量的指针,指向字符数组变量(const 后面是 p3,说明 p3 指针自身不可改变)
const char* const p4 = greeting; // 自身是常量的指针,指向字符数组常量
}
// 函数
void function1(const int Var); // 传递过来的参数在函数内不可变
void function2(const char* Var); // 参数指针所指内容为常量
void function3(char* const Var); // 参数指针为常量
void function4(const int& Var); // 引用参数在函数内为常量
// 函数返回值
const int function5(); // 返回一个常数
const int* function6(); // 返回一个指向常量的指针变量,使用:const int *p = function6();
int* const function7(); // 返回一个指向变量的常指针,使用:int* const p = function7();
宏定义 #define 和 const 常量 宏定义 #define const 常量 宏定义,相当于字符替换 常量声明 预处理器处理 编译器处理 无类型安全检查 有类型安全检查 不分配内存 要分配内存 存储在代码段 存储在数据段 可通过 #undef 取消 不可取消
static
作用
修饰普通变量,修改变量的存储区域和生命周期,使变量存储在静态区,在 main 函数运行前就分配了空间,如果有初始值就用初始值初始化它,如果没有初始值系统用默认值初始化它。
修饰普通函数,表明函数的作用范围,仅在定义该函数的文件内才能使用。在多人开发项目时,为了防止与他人命名空间里的函数重名,可以将函数定位为 static。
修饰成员变量,修饰成员变量使所有的对象只保存一个该变量,而且不需要生成对象就可以访问该成员。
修饰成员函数,修饰成员函数使得不需要生成对象就可以访问该函数,但是在 static 函数内不能访问非静态成员。
this 指针
this 指针是一个隐含于每一个非静态成员函数中的特殊指针。它指向调用该成员函数的那个对象。
当对一个对象调用成员函数时,编译程序先将对象的地址赋给 this 指针,然后调用成员函数,每次成员函数存取数据成员时,都隐式使用 this 指针。
当一个成员函数被调用时,自动向它传递一个隐含的参数,该参数是一个指向这个成员函数所在的对象的指针。
this 指针被隐含地声明为: ClassName *const this,这意味着不能给 this 指针赋值;在 ClassName 类的 const 成员函数中,this 指针的类型为:const ClassName* const,这说明不能对 this 指针所指向的这种对象是不可修改的(即不能对这种对象的数据成员进行赋值操作);
this 并不是一个常规变量,而是个右值,所以不能取得 this 的地址(不能 &this)。
在以下场景中,经常需要显式引用 this 指针:
为实现对象的链式引用;
为避免对同一对象进行赋值操作;
在实现一些数据结构时,如 list。
inline 内联函数
特征
相当于把内联函数里面的内容写在调用内联函数处;
相当于不用执行进入函数的步骤,直接执行函数体;
相当于宏,却比宏多了类型检查,真正具有函数特性;
编译器一般不内联包含循环、递归、switch 等复杂操作的内联函数;
在类声明中定义的函数,除了虚函数的其他函数都会自动隐式地当成内联函数。
使用 // 声明1(加 inline,建议使用)
inline int functionName(int first, int second,...);
// 声明2(不加 inline)
int functionName(int first, int second,...);
// 定义
inline int functionName(int first, int second,...) {/****/};
// 类内定义,隐式内联
class A {
int doA() { return 0; } // 隐式内联
}
// 类外定义,需要显式内联
class A {
int doA();
}
inline int A::doA() { return 0; } // 需要显式内联
编译器对 inline 函数的处理步骤
将 inline 函数体复制到 inline 函数调用点处;
为所用 inline 函数中的局部变量分配内存空间;
将 inline 函数的的输入参数和返回值映射到调用方法的局部变量空间中;
如果 inline 函数有多个返回点,将其转变为 inline 函数代码块末尾的分支(使用 GOTO)。
优缺点
内联函数同宏函数一样将在被调用处进行代码展开,省去了参数压栈、栈帧开辟与回收,结果返回等,从而提高程序运行速度。
内联函数相比宏函数来说,在代码展开时,会做安全检查或自动类型转换(同普通函数),而宏定义则不会。
在类中声明同时定义的成员函数,自动转化为内联函数,因此内联函数可以访问类的成员变量,宏定义则不能。
内联函数在运行时可调试,而宏定义不可以。
代码膨胀。内联是以代码膨胀(复制)为代价,消除函数调用带来的开销。如果执行函数体内代码的时间,相比于函数调用的开销较大,那么效率的收获会很少。另一方面,每一处内联函数的调用都要复制代码,将使程序的总代码量增大,消耗更多的内存空间。
inline 函数无法随着函数库升级而升级。inline函数的改变需要重新编译,不像 non-inline 可以直接链接。
是否内联,程序员不可控。内联函数只是对编译器的建议,是否对函数内联,决定权在于编译器。
虚函数(virtual)可以是内联函数(inline)吗?
虚函数可以是内联函数,内联是可以修饰虚函数的,但是当虚函数表现多态性的时候不能内联。
内联是在编译期建议编译器内联,而虚函数的多态性在运行期,编译器无法知道运行期调用哪个代码,因此虚函数表现为多态性时(运行期)不可以内联。
inline virtual 唯一可以内联的时候是:编译器知道所调用的对象是哪个类(如 Base::who()),这只有在编译器具有实际对象而不是对象的指针或引用时才会发生。
#include <iostream>
using namespace std;
class Base
{
public:
inline virtual void who()
{
cout << "I am Base\n";
}
virtual ~Base() {}
};
class Derived : public Base
{
public:
inline void who() // 不写inline时隐式内联
{
cout << "I am Derived\n";
}
};
int main()
{
// 此处的虚函数 who(),是通过类(Base)的具体对象(b)来调用的,编译期间就能确定了,所以它可以是内联的,但最终是否内联取决于编译器。
Base b;
b.who();
// 此处的虚函数是通过指针调用的,呈现多态性,需要在运行时期间才能确定,所以不能为内联。
Base *ptr = new Derived();
ptr->who();
// 因为Base有虚析构函数(virtual ~Base() {}),所以 delete 时,会先调用派生类(Derived)析构函数,再调用基类(Base)析构函数,防止内存泄漏。
delete ptr;
ptr = nullptr;
system("pause");
return 0;
}
volatile
volatile 关键字是一种类型修饰符,用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素(操作系统、硬件、其它线程等)更改。所以使用 volatile 告诉编译器不应对这样的对象进行优化。
volatile 关键字声明的变量,每次访问时都必须从内存中取出值(没有被 volatile 修饰的变量,可能由于编译器的优化,从 CPU 寄存器中取值)
const 可以是 volatile (如只读的状态寄存器)
指针可以是 volatile
assert() 断言,是宏,而非函数。assert 宏的原型定义在 <assert.h>(C)、<cassert>(C++)中,其作用是如果它的条件返回错误,则终止程序执行。可以通过定义 NDEBUG 来关闭 assert,但是需要在源代码的开头,include <assert.h> 之前。
#define NDEBUG // 加上这行,则 assert 不可用
#include <assert.h>
assert( p != NULL ); // assert 不可用
sizeof()
sizeof 对数组,得到整个数组所占空间大小。
sizeof 对指针,得到指针本身所占空间大小。
编译器扩展与标准对齐控制
编译器扩展:#pragma pack(n),将随后定义的 struct/class/union 的成员最大对齐限制为 n 字节。
标准对齐控制:
alignas(k),要求类型或变量至少按 k 字节对齐(向上取整到 ≥ 自然对齐)。
alignof(T),获取类型 T 的自然对齐要求(编译时常量)。
特性 #pragma pack alignas 标准化 ❌ 编译器扩展 ✅ C++11标准 对齐方向 ⬇️ 只能减小对齐 ⬆️ 只能增大对齐 可移植性 ❌ 编译器依赖 ✅ 跨平台 作用范围 ? 影响整个结构 ? 可针对单个成员 性能影响 ⚠️ 可能降低内存访问速度 ⚠️ 过度对齐浪费空间
#include <cstddef>
#include <iostream>
#pragma pack(push, 1) // 最大对齐 1 字节,紧凑布局
struct PackedHeader {
uint16_t len; // offset 0
uint32_t id; // offset 2
};
#pragma pack(pop)
struct alignas(8) Align8 {
double value; // offset 0, 占 8 字节
int flag; // offset 8
};
int main() {
std::cout << "PackedHeader size: " << sizeof(PackedHeader) << "\n"; // 6
std::cout << "Align8 size: " << sizeof(Align8) << "\n"; // 16
}
位域 Bit mode: 2; // mode 占 2 位
类可以将其(非静态)数据成员定义为位域(bit-field),在一个位域中含有一定数量的二进制位。当一个程序需要向其他程序或硬件设备传递二进制数据时,通常会用到位域。
位域在内存中的布局是与机器有关的
位域的类型必须是整型或枚举类型,带符号类型中的位域的行为将因具体实现而定
取地址运算符(&)不能作用于位域,任何指针都无法指向类的位域
extern 与 extern "C"
extern 是存储类说明符(storage-class-specifier),用于声明变量或函数具有外部链接,表示实体的定义可能在其他翻译单元中。
extern "C" 是链接指示(linkage directive),它指定函数或变量使用 C 语言链接(不影响编译规则)。
禁止 C++ 名称修饰。确保符号名称与该平台下 C 编译器生成的名称一致,避免链接时因名称修饰导致的未定义符号错误,但不保证平台 ABI(应用二进制接口)一致性。
实现 C/C++ 互操作。允许 C++ 函数被 C 代码调用(或反之)。
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
void *memset(void *, int, size_t);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
struct 和 typedef struct
C 中 // c
typedef struct Student {
int age;
} S;
// c
struct Student {
int age;
};
typedef struct Student S;
此时 S 等价于 struct Student,但两个标识符名称空间不相同。
另外还可以定义与 struct Student 不冲突的 void Student() {}。
C++ 中 由于编译器定位符号的规则(搜索规则)改变,导致不同于C语言。
一、如果在类标识符空间定义了 struct Student {...};,使用 Student me; 时,编译器将搜索全局标识符表,Student 未找到,则在类标识符内搜索。
即表现为可以使用 Student 也可以使用 struct Student,如下:
// cpp
struct Student {
int age;
};
void f( Student me ); // 正确,"struct" 关键字可省略
二、若定义了与 Student 同名函数之后,则 Student 只代表函数,不代表结构体,如下:
typedef struct Student {
int age;
} S;
void Student() {} // 正确,定义后 "Student" 只代表此函数
//void S() {} // 错误,符号 "S" 已经被定义为一个 "struct Student" 的别名
int main() {
Student();
struct Student me; // 或者 "S me";
return 0;
}
C++ 中 struct 和 class 总的来说,struct 更适合看成是一个数据结构的实现体,class 更适合看成是一个对象的实现体。
区别
最本质的一个区别就是默认的访问控制
默认的继承访问权限。struct 是 public 的,class 是 private 的。
struct 作为数据结构的实现体,它默认的数据访问控制是 public 的,而 class 作为对象的实现体,它默认的成员变量访问控制是 private 的。
union 联合 联合(union)是一种节省空间的特殊的类,一个 union 可以有多个数据成员,但是在任意时刻只有一个数据成员可以有值。当某个成员被赋值后其他成员变为未定义状态。联合有如下特点:
默认访问控制符为 public
可以含有构造函数、析构函数
不能含有引用类型的成员
不能继承自其他类,不能作为基类
不能含有虚函数
匿名 union 在定义所在作用域可直接访问 union 成员
匿名 union 不能包含 protected 成员或 private 成员
全局匿名联合必须是静态(static)的
#include<iostream>
union UnionTest {
UnionTest() : i(10) {};
int i;
double d;
};
static union {
int i;
double d;
};
int main() {
UnionTest u;
union {
int i;
double d;
};
std::cout << u.i << std::endl; // 输出 UnionTest 联合的 10
::i = 20;
std::cout << ::i << std::endl; // 输出全局静态匿名联合的 20
i = 30;
std::cout << i << std::endl; // 输出局部匿名联合的 30
return 0;
}
C 实现 C++ 类 C 实现 C++ 的面向对象特性(封装、继承、多态)
封装:使用函数指针把属性与方法封装到结构体中
继承:结构体嵌套
多态:父类与子类方法的函数指针不同
explicit(显式)关键字
explicit 修饰构造函数时,可以防止隐式转换和复制初始化
explicit 修饰转换函数时,可以防止隐式转换,但 按语境转换 除外
struct A
{
A(int) { }
operator bool() const { return true; }
};
struct B
{
explicit B(int) {}
explicit operator bool() const { return true; }
};
void doA(A a) {}
void doB(B b) {}
int main()
{
A a1(1); // OK:直接初始化
A a2 = 1; // OK:复制初始化
A a3{ 1 }; // OK:直接列表初始化
A a4 = { 1 }; // OK:复制列表初始化
A a5 = (A)1; // OK:允许 static_cast 的显式转换
doA(1); // OK:允许从 int 到 A 的隐式转换
if (a1); // OK:使用转换函数 A::operator bool() 的从 A 到 bool 的隐式转换
bool a6(a1); // OK:使用转换函数 A::operator bool() 的从 A 到 bool 的隐式转换
bool a7 = a1; // OK:使用转换函数 A::operator bool() 的从 A 到 bool 的隐式转换
bool a8 = static_cast<bool>(a1); // OK :static_cast 进行直接初始化
B b1(1); // OK:直接初始化
B b2 = 1; // 错误:被 explicit 修饰构造函数的对象不可以复制初始化
B b3{ 1 }; // OK:直接列表初始化
B b4 = { 1 }; // 错误:被 explicit 修饰构造函数的对象不可以复制列表初始化
B b5 = (B)1; // OK:允许 static_cast 的显式转换
doB(1); // 错误:被 explicit 修饰构造函数的对象不可以从 int 到 B 的隐式转换
if (b1); // OK:被 explicit 修饰转换函数 B::operator bool() 的对象可以从 B 到 bool 的按语境转换
bool b6(b1); // OK:被 explicit 修饰转换函数 B::operator bool() 的对象可以从 B 到 bool 的按语境转换
bool b7 = b1; // 错误:被 explicit 修饰转换函数 B::operator bool() 的对象不可以隐式转换
bool b8 = static_cast<bool>(b1); // OK:static_cast 进行直接初始化
return 0;
}
friend 友元类和友元函数
能访问私有成员
破坏封装性
友元关系不可传递
友元关系的单向性
友元声明的形式及数量不受限制
using
using 声明 一条 using 声明 语句一次只引入命名空间的一个成员。它使得我们可以清楚知道程序中所引用的到底是哪个名字。如:
using namespace_name::name;
构造函数的 using 声明 在 C++11 中,派生类能够重用其直接基类定义的构造函数。
class Derived : Base {
public:
using Base::Base;
/* ... */
};
如上 using 声明,对于基类的每个构造函数,编译器都生成一个与之对应(形参列表完全相同)的派生类构造函数。生成如下类型构造函数:
Derived(parms) : Base(args) { }
using 指示 using 指示 使得某个特定命名空间中所有名字都可见,这样我们就无需再为它们添加任何前缀限定符了。如:
using namespace namespace_name;
尽量少使用 using 指示 污染命名空间
一般说来,使用 using 命令比使用 using 编译命令更安全,这是由于它只导入了指定的名称 。如果该名称与局部名称发生冲突,编译器将发出指示 。using编译命令导入所有的名称,包括可能并不需要的名称。如果与局部名称发生冲突,则局部名称将覆盖名称空间版本 ,而编译器并不会发出警告 。另外,名称空间的开放性意味着名称空间的名称可能分散在多个地方,这使得难以准确知道添加了哪些名称。
int x;
std::cin >> x ;
std::cout << x << std::endl;
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
int x;
cin >> x;
cout << x << endl;
:: 范围解析运算符
分类
全局作用域符(::name):用于类型名称(类、类成员、成员函数、变量等)前,表示作用域为全局命名空间
类作用域符(class::name):用于表示指定类型的作用域范围是具体某个类的
命名空间作用域符(namespace::name):用于表示指定类型的作用域范围是具体某个命名空间的
int count = 11; // 全局(::)的 count
class A {
public:
static int count; // 类 A 的 count(A::count)
};
int A::count = 21;
void fun()
{
int count = 31; // 初始化局部的 count 为 31
count = 32; // 设置局部的 count 的值为 32
}
int main() {
::count = 12; // 测试 1:设置全局的 count 的值为 12
A::count = 22; // 测试 2:设置类 A 的 count 为 22
fun(); // 测试 3
return 0;
}
enum 枚举类型
限定作用域的枚举类型 enum class open_modes { input, output, append };
不限定作用域的枚举类型 enum color { red, yellow, green };
enum { floatPrec = 6, doublePrec = 10 };
decltype decltype 关键字用于检查实体的声明类型或表达式的类型及值分类。语法:
// 尾置返回允许我们在参数列表之后声明返回类型
template <typename It>
auto fcn(It beg, It end) -> decltype(*beg)
{
// 处理序列
return *beg; // 返回序列中一个元素的引用
}
// 为了使用模板参数成员,必须用 typename
template <typename It>
auto fcn2(It beg, It end) -> typename remove_reference<decltype(*beg)>::type
{
// 处理序列
return *beg; // 返回序列中一个元素的拷贝
}
引用
左值引用
右值引用 右值引用就是必须绑定到右值(一个临时对象、将要销毁的对象)的引用,一般表示对象的值。
右值引用可实现转移语义(Move Sementics)和精确传递(Perfect Forwarding),它的主要目的有两个方面:
消除两个对象交互时不必要的对象拷贝,节省运算存储资源,提高效率。
能够更简洁明确地定义泛型函数。
引用折叠
X& &、X& &&、X&& & 可折叠成 X&
X&& && 可折叠成 X&&
宏
宏定义可以实现类似于函数的功能,但是它终归不是函数,而宏定义中括弧中的“参数”也不是真的参数,在宏展开的时候对 “参数” 进行的是一对一的替换。
成员初始化列表
更高效:少了一次调用默认构造函数的过程。
有些场合必须要用初始化列表:
常量成员,因为常量只能初始化不能赋值,所以必须放在初始化列表里面
引用类型,引用必须在定义的时候初始化,并且不能重新赋值,所以也要写在初始化列表里面
没有默认构造函数的类类型,因为使用初始化列表可以不必调用默认构造函数来初始化
initializer_list 列表初始化 用花括号初始化器列表初始化一个对象,其中对应构造函数接受一个 std::initializer_list 参数.
#include <iostream>
#include <vector>
#include <initializer_list>
template <class T>
struct S {
std::vector<T> v;
S(std::initializer_list<T> l) : v(l) {
std::cout << "constructed with a " << l.size() << "-element list\n";
}
void append(std::initializer_list<T> l) {
v.insert(v.end(), l.begin(), l.end());
}
std::pair<const T*, std::size_t> c_arr() const {
return {&v[0], v.size()}; // 在 return 语句中复制列表初始化
// 这不使用 std::initializer_list
}
};
template <typename T>
void templated_fn(T) {}
int main()
{
S<int> s = {1, 2, 3, 4, 5}; // 复制初始化
s.append({6, 7, 8}); // 函数调用中的列表初始化
std::cout << "The vector size is now " << s.c_arr().second << " ints:\n";
for (auto n : s.v)
std::cout << n << ' ';
std::cout << '\n';
std::cout << "Range-for over brace-init-list: \n";
for (int x : {-1, -2, -3}) // auto 的规则令此带范围 for 工作
std::cout << x << ' ';
std::cout << '\n';
auto al = {10, 11, 12}; // auto 的特殊规则
std::cout << "The list bound to auto has size() = " << al.size() << '\n';
// templated_fn({1, 2, 3}); // 编译错误!“ {1, 2, 3} ”不是表达式,
// 它无类型,故 T 无法推导
templated_fn<std::initializer_list<int>>({1, 2, 3}); // OK
templated_fn<std::vector<int>>({1, 2, 3}); // 也 OK
}
面向对象 面向对象程序设计(Object-oriented programming,OOP)是种具有对象概念的程序编程典范,同时也是一种程序开发的抽象方针。
封装 把客观事物封装成抽象的类,并且类可以把自己的数据和方法只让可信的类或者对象操作,对不可信的进行信息隐藏。关键字:public, protected, private。不写默认为 private。
public 成员:可以被任意实体访问
protected 成员:只允许被子类及本类的成员函数访问
private 成员:只允许被本类的成员函数、友元类或友元函数访问
继承
多态
多态,即多种状态(形态)。简单来说,我们可以将多态定义为消息以多种形式显示的能力。
多态是以封装和继承为基础的。
C++ 多态分类及实现:
重载多态(Ad-hoc Polymorphism,编译期):函数重载、运算符重载
子类型多态(Subtype Polymorphism,运行期):虚函数
参数多态性(Parametric Polymorphism,编译期):类模板、函数模板
强制多态(Coercion Polymorphism,编译期/运行期):基本类型转换、自定义类型转换
静态多态(编译期/早绑定) class A
{
public:
void do(int a);
void do(int a, int b);
};
动态多态(运行期/晚绑定)
虚函数:用 virtual 修饰成员函数,使其成为虚函数
动态绑定:当使用基类的引用或指针调用一个虚函数时将发生动态绑定
可以将派生类的对象赋值给基类的指针或引用,反之不可
普通函数(非类成员函数)不能是虚函数
静态函数(static)不能是虚函数
构造函数不能是虚函数(因为在调用构造函数时,虚表指针并没有在对象的内存空间中,必须要构造函数调用完成后才会形成虚表指针)
内联函数不能是表现多态性时的虚函数,解释见:虚函数(virtual)可以是内联函数(inline)吗?
class Shape // 形状类
{
public:
virtual double calcArea()
{
...
}
virtual ~Shape();
};
class Circle : public Shape // 圆形类
{
public:
virtual double calcArea();
...
};
class Rect : public Shape // 矩形类
{
public:
virtual double calcArea();
...
};
int main()
{
Shape * shape1 = new Circle(4.0);
Shape * shape2 = new Rect(5.0, 6.0);
shape1->calcArea(); // 调用圆形类里面的方法
shape2->calcArea(); // 调用矩形类里面的方法
delete shape1;
shape1 = nullptr;
delete shape2;
shape2 = nullptr;
return 0;
}
虚析构函数 虚析构函数是为了解决基类的指针指向派生类对象,并用基类的指针删除派生类对象。
class Shape
{
public:
Shape(); // 构造函数不能是虚函数
virtual double calcArea();
virtual ~Shape(); // 虚析构函数
};
class Circle : public Shape // 圆形类
{
public:
virtual double calcArea();
...
};
int main()
{
Shape * shape1 = new Circle(4.0);
shape1->calcArea();
delete shape1; // 因为Shape有虚析构函数,所以delete释放内存时,先调用子类析构函数,再调用基类析构函数,防止内存泄漏。
shape1 = NULL;
return 0;
}
纯虚函数 纯虚函数是一种特殊的虚函数,在基类中不能对虚函数给出有意义的实现,而把它声明为纯虚函数,它的实现留给该基类的派生类去做。
虚函数、纯虚函数
类里如果声明了虚函数,这个函数是实现的,哪怕是空实现,它的作用就是为了能让这个函数在它的子类里面可以被覆盖(override),这样的话,编译器就可以使用后期绑定来达到多态了。纯虚函数只是一个接口,是个函数的声明而已,它要留到子类里去实现。
虚函数在子类里面可以不重写;但纯虚函数必须在子类实现才可以实例化子类。
虚函数的类用于 “实作继承”,继承接口的同时也继承了父类的实现。纯虚函数关注的是接口的统一性,实现由子类完成。
带纯虚函数的类叫抽象类,这种类不能直接生成对象,而只有被继承,并重写其虚函数后,才能使用。抽象类被继承后,子类可以继续是抽象类,也可以是普通类。
虚基类是虚继承中的基类,具体见下文虚继承。
虚函数指针、虚函数表
虚函数指针:在含有虚函数类的对象中,指向虚函数表,在运行时确定。
虚函数表:在程序只读数据段(.rodata section,见:目标文件存储结构 ),存放虚函数指针,如果派生类实现了基类的某个虚函数,则在虚表中覆盖原本基类的那个虚函数指针,在编译时根据类的声明创建。
虚继承 虚继承用于解决多继承条件下的菱形继承问题(浪费存储空间、存在二义性)。
底层实现原理与编译器相关,一般通过虚基类指针 和虚基类表 实现,每个虚继承的子类都有一个虚基类指针(占用一个指针的存储空间,4字节)和虚基类表(不占用类对象的存储空间)(需要强调的是,虚基类依旧会在子类里面存在拷贝,只是仅仅最多存在一份而已,并不是不在子类里面了);当虚继承的子类被当做父类继承时,虚基类指针也会被继承。
实际上,vbptr 指的是虚基类表指针(virtual base table pointer),该指针指向了一个虚基类表(virtual table),虚表中记录了虚基类与本类的偏移地址;通过偏移地址,这样就找到了虚基类成员,而虚继承也不用像普通多继承那样维持着公共基类(虚基类)的两份同样的拷贝,节省了存储空间。
虚继承、虚函数
相同之处:都利用了虚指针(均占用类的存储空间)和虚表(均不占用类的存储空间)
不同之处:
虚继承
虚基类依旧存在继承类中,只占用存储空间
虚基类表存储的是虚基类相对直接继承类的偏移
虚函数
类模板、成员模板、虚函数
类模板中可以使用虚函数
一个类(无论是普通类还是类模板)的成员模板(本身是模板的成员函数)不能是虚函数
抽象类、接口类、聚合类
抽象类:含有纯虚函数的类
接口类:仅含有纯虚函数的抽象类
聚合类:用户可以直接访问其成员,并且具有特殊的初始化语法形式。满足如下特点:
所有成员都是 public
没有定义任何构造函数
没有类内初始化
没有基类,也没有 virtual 函数
内存分配和管理
malloc、calloc、realloc、alloca
malloc:申请指定字节数的内存。申请到的内存中的初始值不确定。
calloc:为指定长度的对象,分配能容纳其指定个数的内存。申请到的内存的每一位(bit)都初始化为 0。
realloc:更改以前分配的内存长度(增加或减少)。当增加长度时,可能需将以前分配区的内容移到另一个足够大的区域,而新增区域内的初始值则不确定。
alloca:在栈上申请内存。程序在出栈的时候,会自动释放内存。但是需要注意的是,alloca 不具可移植性, 而且在没有传统堆栈的机器上很难实现。alloca 不宜使用在必须广泛移植的程序中。C99 中支持变长数组 (VLA),可以用来替代 alloca。
malloc、free char *str = (char*) malloc(100);
assert(str != nullptr);
new、delete
new / new[]:完成两件事,先底层调用 malloc 分配了内存,然后调用构造函数(创建对象)。
delete/delete[]:也完成两件事,先调用析构函数(清理资源),然后底层调用 free 释放空间。
new 在申请内存时会自动计算所需字节数,而 malloc 则需我们自己输入申请内存空间的字节数。
int main()
{
T* t = new T(); // 先内存分配 ,再构造函数
delete t; // 先析构函数,再内存释放
return 0;
}
定位 new 定位 new(placement new)允许我们向 new 传递额外的地址参数,从而在预先指定的内存区域创建对象。
new (place_address) type
new (place_address) type (initializers)
new (place_address) type [size]
new (place_address) type [size] { braced initializer list }
place_address 是个指针
initializers 提供一个(可能为空的)以逗号分隔的初始值列表
delete this 合法吗?
必须保证 this 对象是通过 new(不是 new[]、不是 placement new、不是栈上、不是全局、不是其他对象成员)分配的
必须保证调用 delete this 的成员函数是最后一个调用 this 的成员函数
必须保证成员函数的 delete this 后面没有调用 this 了
必须保证 delete this 后没有人使用了
智能指针
C++ 标准库(STL)中
C++ 98 std::auto_ptr<std::string> ps (new std::string(str));
C++ 11
shared_ptr
unique_ptr
weak_ptr
auto_ptr(被 C++11 弃用)
Class shared_ptr 实现共享式拥有(shared ownership)概念。多个智能指针指向相同对象,该对象和其相关资源会在 “最后一个 reference 被销毁” 时被释放。为了在结构较复杂的情景中执行上述工作,标准库提供 weak_ptr、bad_weak_ptr 和 enable_shared_from_this 等辅助类。
Class unique_ptr 实现独占式拥有(exclusive ownership)或严格拥有(strict ownership)概念,保证同一时间内只有一个智能指针可以指向该对象。你可以移交拥有权。它对于避免内存泄漏(resource leak)——如 new 后忘记 delete ——特别有用。
shared_ptr 多个智能指针可以共享同一个对象,对象的最末一个拥有着有责任销毁对象,并清理与该对象相关的所有资源。
支持定制型删除器(custom deleter),可防范 Cross-DLL 问题(对象在动态链接库(DLL)中被 new 创建,却在另一个 DLL 内被 delete 销毁)、自动解除互斥锁
weak_ptr weak_ptr 允许你共享但不拥有某对象,一旦最末一个拥有该对象的智能指针失去了所有权,任何 weak_ptr 都会自动成空(empty)。因此,在 default 和 copy 构造函数之外,weak_ptr 只提供 “接受一个 shared_ptr” 的构造函数。
可打破环状引用(cycles of references,两个其实已经没有被使用的对象彼此互指,使之看似还在 “被使用” 的状态)的问题
unique_ptr unique_ptr 是 C++11 才开始提供的类型,是一种在异常时可以帮助避免资源泄漏的智能指针。采用独占式拥有,意味着可以确保一个对象和其相应的资源同一时间只被一个 pointer 拥有。一旦拥有者被销毁或变成空或开始拥有另一个对象,先前拥有的那个对象就会被销毁,其任何相应资源亦会被释放。
auto_ptr 被 c++11 弃用,原因是缺乏语言特性如 “针对构造和赋值” 的 std::move 语义,以及其他瑕疵。
auto_ptr 与 unique_ptr 比较
auto_ptr 可以赋值拷贝,复制拷贝后所有权转移;unqiue_ptr 无拷贝赋值语义,但实现了move 语义;
auto_ptr 对象不能管理数组(析构调用 delete),unique_ptr 可以管理数组(析构调用 delete[] );
强制类型转换运算符
static_cast 转换类型 安全性 示例 数值类型转换 ✅ 安全 float f=3.14; int i=static_cast<int>(f);类向上转换 ✅ 安全 Derived* d; Base* b=static_cast<Base*>(d);类向下转换 ⚠️ 不安全 Base* b=new Base; Derived* d=static_cast<Derived*>(b);类不变转换 ✅ 安全 MyClass* p; MyClass* same=static_cast<MyClass*>(p);显式构造函数调用 ✅ 安全 func(static_cast<std::string>("text"));任意→void* ✅ 安全 int* p; void* vp=static_cast<void*>(p);枚举↔整型 ✅ 安全 enum Color{RED}; int c=static_cast<int>(RED);
dynamic_cast
运行时类型检查(依赖 RTTI)
多态类型要求(基类需至少一个虚函数)
安全失败机制(nullptr 或异常)
转换类型 安全性 运行时开销 多态要求 失败处理 示例 类向上转换 ✅ 安全 无 ❌ 不需要 不适用(总是成功) Derived* d; Base* b = dynamic_cast<Base*>(d);类向下转换 ✅ 安全 有 ✅ 需要 指针→nullptr 引用→std::bad_cast Base* b=new Base; Derived* d = dynamic_cast<Derived*>(b);类旁支转换 ✅ 安全 有 ✅ 需要 指针→nullptr 引用→std::bad_cast B2* b2 = dynamic_cast<B2*>(b1); // 菱形继承中 B1*→B2*类不变转换 ✅ 安全 无 ❌ 不需要 不适用(总是成功) Derived* d2 = dynamic_cast<Derived*>(d1);任意→void* ✅ 安全 有 ✅ 需要 nullptrvoid* p = dynamic_cast<void*>(obj);
const_cast
编译时类型修饰符操作
仅修改 const/volatile 属性
不改变底层二进制表示
转换类型 安全性 示例 移除 const ⚠️ 风险 const int* cp; int* p=const_cast<int*>(cp);移除 volatile ⚠️ 风险 volatile int* vp; int* p=const_cast<int*>(vp);添加 const ✅ 安全 int* p; const int* cp=const_cast<const int*>(p);兼容旧式 API ⚠️ 必要风险 legacy_api(const_cast<char*>(str.c_str()));
reinterpret_cast
无编译时类型安全检查
二进制位级重新解释
最危险的转换操作符
转换类型 安全性 示例 指针↔指针 ❌ 高危 MyClass* obj; void* p=reinterpret_cast<void*>(obj);指针↔整型 ❌ 高危 intptr_t addr=reinterpret_cast<intptr_t>(&obj);函数指针转换 ❌ 极高危 不同签名函数指针转换 内存映射 I/O ⚠️ 系统编程 硬件寄存器访问
bad_cast
dynamic_cast 引用转换失败的异常类型。
try {
Circle& ref_circle = dynamic_cast<Circle&>(ref_shape);
}
catch (bad_cast b) {
cout << "Caught: " << b.what();
}
运行时类型信息 (RTTI)
typeid
typeid 运算符允许在运行时确定对象的类型
typeid 返回一个 type_info 对象的引用
如果想通过基类的指针获得派生类的数据类型,基类必须带有虚函数
只能获取对象的实际类型
type_info
type_info 类描述编译器在程序中生成的类型信息。 此类的对象可以有效存储指向类型的名称的指针。 type_info 类还可存储适合比较两个类型是否相等或比较其排列顺序的编码值。 类型的编码规则和排列顺序是未指定的,并且可能因程序而异。
头文件:typeinfo
#include <iostream>
using namespace std;
class Flyable // 能飞的
{
public:
virtual void takeoff() = 0; // 起飞
virtual void land() = 0; // 降落
};
class Bird : public Flyable // 鸟
{
public:
void foraging() {...} // 觅食
virtual void takeoff() {...}
virtual void land() {...}
virtual ~Bird(){}
};
class Plane : public Flyable // 飞机
{
public:
void carry() {...} // 运输
virtual void takeoff() {...}
virtual void land() {...}
};
class type_info
{
public:
const char* name() const;
bool operator == (const type_info & rhs) const;
bool operator != (const type_info & rhs) const;
int before(const type_info & rhs) const;
virtual ~type_info();
private:
...
};
void doSomething(Flyable *obj) // 做些事情
{
obj->takeoff();
cout << typeid(*obj).name() << endl; // 输出传入对象类型("class Bird" or "class Plane")
if(typeid(*obj) == typeid(Bird)) // 判断对象类型
{
Bird *bird = dynamic_cast<Bird *>(obj); // 对象转化
bird->foraging();
}
obj->land();
}
int main(){
Bird *b = new Bird();
doSomething(b);
delete b;
b = nullptr;
return 0;
}