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C++智能指针概念理解的面试题

news 来源：原创 2025/6/26 15:18:39

C++智能指针概念理解的面试题

第一部分：基础概念
  1. 解释std::unique_ptr和std::shared_ptr在以下方面的区别：
    • 所有权语义
    • 性能开销
    • 自定义删除器的存储方式
    • 是否支持数组类型

    答案：

    所有权语义：

    unique_ptr：独占所有权，不能复制，只能移动shared_ptr：共享所有权，通过引用计数管理，可以复制

    性能开销：

    unique_ptr：几乎无额外开销（等同于原始指针）shared_ptr：有控制块和引用计数的开销

    自定义删除器的存储方式：

    unique_ptr：删除器是类型的一部分，直接存储在对象中（无额外开销）shared_ptr：删除器存储在控制块中（类型擦除，有额外开销）

    是否支持数组类型：

    unique_ptr：通过unique_ptr<T[]>显式支持数组shared_ptr：不直接支持数组，需自定义删除器
  2. 考虑以下代码：
std::shared_ptr<int> p1(new int(42));
std::shared_ptr<int> p2 = std::make_shared<int>(42);
  • 这两种初始化方式在内存分配上有何不同？
  • 为什么推荐使用make_shared？
  • 在什么情况下不能使用make_shared？

答案：

内存分配差异：

  • shared_ptr<int> p1(new int(42))：两次分配（对象和控制块分开）
  • make_shared<int>(42)：一次分配（对象和控制块合并）

推荐make_shared的原因：

  1. 更高性能（单次分配）
  2. 更安全（避免内存泄漏）
  3. 更好的缓存局部性

不能使用make_shared的情况：

  1. 需要自定义删除器
  2. 需要大括号初始化
  3. 需要weak_ptr长期存在而对象可被释放的场景
第二部分：深入实现
  1. 假设C++标准库中没有提供std::weak_ptr，你如何仅使用std::shared_ptr来实现一个弱引用指针？请描述你的设计方案，包括：
    • 如何检测所指向的对象是否已被释放
    • 如何实现lock()操作来获取可用的shared_ptr
    • 如何避免循环引用

答案：

设计方案：

  1. 使用shared_ptr的引用计数结构扩展
  2. 添加"弱引用计数"跟踪观察者数量
  3. 对象释放条件：强引用=0（无论弱引用）

实现lock()：

  1. 检查强引用计数>0
  2. 如果对象存在，增加强引用计数并返回新shared_ptr
  3. 否则返回空shared_ptr

避免循环引用：

  1. 弱引用不参与对象生命周期管理

  2. 仅当强引用=0时才释放对象

  3. 控制块在弱引用=0时才释放

  4. 解释std::shared_ptr的引用计数机制：
  • 控制块(control block)通常包含哪些信息？
  • 在多线程环境下，引用计数如何保证原子性？
  • 为什么std::shared_ptr的引用计数使用原子操作而不是简单的整数？

答案：

控制块内容：

  1. 强引用计数
  2. 弱引用计数
  3. 自定义删除器
  4. 分配器（如使用）
  5. 指向被管理对象的指针

原子性保证：

  1. 使用原子操作（如std::atomic）修改引用计数
  2. 内存序保证（通常memory_order_relaxed用于计数）
  3. 控制块本身线程安全

使用原子操作的原因：

  1. 多线程环境下安全修改计数

  2. 避免数据竞争

  3. 保证内存可见性

第三部分：高级应用
  1. 考虑以下自定义删除器的使用场景：
void file_deleter(FILE* fp) {std::fclose(fp);
}std::unique_ptr<FILE, decltype(&file_deleter)> fp(std::fopen("test.txt", "r"), file_deleter);
  • 为什么这里decltype(&file_deleter)是必要的？
  • 如果改用lambda表达式作为删除器，代码应该如何修改？
  • 比较std::unique_ptr和std::shared_ptr在自定义删除器存储方式上的差异

答案：

decltype(&file_deleter)必要性：

  • unique_ptr的删除器是类型的一部分
  • 必须明确指定删除器类型

lambda删除器：

auto deleter = [](FILE* fp) { std::fclose(fp); };
std::unique_ptr<FILE, decltype(deleter)> fp(std::fopen("test.txt", "r"), deleter);

存储方式差异：

  • unique_ptr：删除器作为模板参数，直接存储

  • shared_ptr：删除器类型擦除，存储在控制块

  1. 设计一个支持多态对象的安全删除方案：
struct Base { virtual ~Base() = default; };
struct Derived : Base { /*...*/ };std::shared_ptr<Base> p = std::make_shared<Derived>();
  • 解释为什么这个方案是类型安全的
  • 如果Base的析构函数不是虚函数，会发生什么？
  • 如何设计一个工厂函数，返回基类指针但能正确删除派生类对象？

答案：

类型安全原因：

  1. make_shared创建完整派生类对象
  2. 虚析构函数确保正确析构顺序
  3. 共享指针保持完整类型信息

非虚析构函数问题：

  1. 派生类部分不会被析构
  2. 资源泄漏
  3. 未定义行为

工厂函数设计：

template<typename Derived, typename... Args>
std::shared_ptr<Base> create(Args&&... args) {return std::shared_ptr<Base>(new Derived(std::forward<Args>(args)...));
}
第四部分：陷阱与最佳实践
  1. 分析以下代码的问题：
std::shared_ptr<int> create_shared() {int* raw = new int(42);std::shared_ptr<int> p1(raw);std::shared_ptr<int> p2(raw);return p1;
}
  • 这段代码会导致什么问题？
  • 如何修改才能使其安全？
  • 解释为什么std::enable_shared_from_this能解决类似问题

答案：

问题：

  1. 两个shared_ptr独立管理同一原始指针
  2. 会导致双重释放
  3. 引用计数不共享

修改方案：

std::shared_ptr<int> create_shared() {auto p1 = std::make_shared<int>(42);std::shared_ptr<int> p2 = p1;  // 共享所有权return p1;
}

enable_shared_from_this作用：

  1. 允许对象安全地生成指向自身的shared_ptr

  2. 内部使用weak_ptr避免循环引用

  3. 确保所有shared_ptr共享同一控制块

  4. 讨论在以下场景中智能指针的使用策略：

  • 作为类成员变量
  • 在容器中存储动态分配的对象
  • 跨线程传递对象所有权
  • 与第三方C库交互

答案：

类成员变量：

  • 优先unique_ptr表达独占
  • 需要共享时用shared_ptr
  • 观察用weak_ptr

容器存储：

  • 优先unique_ptr（明确所有权）
  • 需要共享时用shared_ptr
  • 考虑vector<unique_ptr>替代vector<Base*>

跨线程传递：

  1. shared_ptr引用计数线程安全
  2. 对象本身需额外同步
  3. 避免跨线程传递原始指针

与C库交互：

  1. 自定义删除器包装C接口
  2. unique_ptr管理C资源
  3. 注意所有权转移语义

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编程日记 2025/6/24 21:20:44

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2025年3月&#xff0c;全球规模最大的嵌入式行业盛会——德国纽伦堡国际嵌入式展&#xff08;Embedded World 2025&#xff0c;EW 25&#xff09;圆满落幕。在这场汇聚全球 950 家展商、3 万余专业观众的科技盛宴中&#xff0c;XMOS 展位人头攒动&#xff0c;多款尖端产品和多…...

编程日记 2025/6/23 21:07:35

使用功能包组织C++节点的具体教程

在 ROS&#xff08;Robot Operating System&#xff09;中&#xff0c;使用功能包&#xff08;package&#xff09;来组织 C 节点是一种常见且有效的方式&#xff0c;它能让代码结构更清晰、便于管理和复用。 1. 环境准备 确保已经安装了 ROS&#xff0c;这里以 ROS 2 Humble…...

编程日记 2025/6/22 12:09:07

免费的车牌势识别系统

背景 就是想要一个车牌识别系统 直接上教程 需要首先安装python3 然后执行下面的命令 pip install hyperlpr3 lpr3 rest --port 9999 --host 0.0.0.0 --workers 1 访问地址地址 # 9999 与上述端口一致 http://你的ip:9999/api/v1/docs 测试效果 准备一张图片 lpr3 sa…...

编程日记 2025/6/20 23:18:20

微信小程序蓝牙连接打印机打印单据完整Demo【蓝牙小票打印】

文章目录 一、准备工作1. 硬件准备2. 开发环境 二、小程序配置1. 修改app.json 三、完整代码实现1. pages/index/index.wxml2. pages/index/index.wxss3. pages/index/index.js 四、ESC/POS指令说明五、测试流程六、常见问题解决七、进一步优化建议 下面我将提供一个完整的微信…...

编程日记 2025/6/24 14:31:49

阿里云基于本地知识库构建RAG应用 | 架构与场景

RAG&#xff08;检索增强生成&#xff0c;Retrieval-Augmented Generation&#xff09;是一种结合了检索和生成技术的框架&#xff0c;旨在通过外部知识库的检索来增强大语言模型&#xff08;LLM&#xff09;的生成能力。 其核心架构包括两个主要部分&#xff1a; 检索模块&a…...

编程日记 2025/6/25 1:26:08