【小陈背八股-C++】Day02-C++核心特性面试指南：数据类型与内存管理完全解读

前言

欢迎来到C++面试的“底层视角”。本文将从编译器与内存的隐秘规则出发，为你揭示那些语法背后的深层逻辑。我们将直面整型长度在不同平台下的潜规则，剖析const在变量、指针与引用中的三重语义，并探究static与inline如何借助局部性原理影响性能。同时，define与typedef在编译期的不同行为、new/malloc背后的内存区域本质，以及constexpr如何通过编译期计算重塑程序性能，都将逐一呈现。最后，我们聚焦于++操作符的前后置差异——一个常考却易被误解的典型问题。透过这些细节，你不仅会获得面试的答案，更将建立起对C++更深层的理解。

1. 数据类型

整型 short、int、long和long long

• C++整型数据长度标准

1. short至少16位
2. int至少与short一样长
3. long至少32位，且至少与int一样长
4. long long至少32位，且至少与long一样长

头文件中climits定义了符号常量：例如，INT_MAX表示int的最大值，INT_MIN表示int的最小值。

无符号类型

• 即不存储负数值的整型，能够增大变量能够存储的最大值，数据的长度不变。
• int被设置为自然长度，也就是计算机处理起来效率最高的长度，所以选择类型是一般选择int类型。

关键字

const关键字 根据const放置的位置不同这里有两个容易混淆的概念：

• 指针常量
• 常量指针

以下解释来自《C++ primer第五版》，

• 常量指针：

指针本身就是常量（顶层const），声明必须要进行初始化，初始化之后就不能改变其值（也就是指针存放的地址），换句话说就是不能指向其他对象。但是可以修改该指针指向的对象的值。

• 指针常量：

指针指向一个常量（底层const），不能通过该指针来修改指向的对象的值。但是因为指针本身不是常量，所以可以修改指针指向的对象（也就是可以指向别的地址）。

const关键字的作用 const关键字主要用于指定变量、指针、引用、成员函数等的性质：

• 常量变量：声明常量，表示变量的值不能被修改。
• 指针和引用：声明指针常量，表示指针所指向的值是常量，不能通过指针修改。声明引用常量，表示引用的值是常量，不能通过引用修改。
• 常量对象：声明对象为常量，表示对象的成员变量不能被修改。
• 常引用参数：声明函数参数为常量引用，表示函数不会修改传入的参数。
• 常量指针参数：声明函数参数为指针常量，表示该函数不会通过该指针修改传入的参数。

static关键字 static关键字主要用于控制变量和函数的声明周期、作用域和访问权限：

• 静态变量：

1. 静态变量在程序的整个生命周期内存在，只被初始化一次，通常用于多次函数调用之间需要保留的值。
2. 生命周期：静态变量在程序启动时分配内存，在程序结束时释放内存。
3. 作用域：全局静态变量的作用域是整个程序，局部静态变量的作用域是声明该变量的函数或代码块内。
4. 初始化：静态变量只被初始化一次，默认值为0。
5. 存储位置：静态变量通常存储在全局数据区，而不是栈上。

• 静态成员函数：

1. 在类内部使用static关键字修饰的成员函数就是静态函数。
2. 静态函数属于类而不是类的实例，可以通过类名直接调用，无需创建对象。
3. 静态函数不能直接访问非静态成员函数、非静态成员变量。

• 静态成员变量：

1. 在类中使用static修饰的成员变量是静态成员变量。
2. 所有类的对象共享一个静态成员变量的副本。
3. 静态成员变量除了在类中声明，还需要在类外单独定义，方便为其分配内存。

define、typedef和inline的区别

• define

1. 只是简单的字符串替换，并没有类型检查
2. 是在编译的预处理阶段起作用
3. 可以用来防止头文件的重复引用
4. 不分配内存，只是给出立即数，有多少次使用就进行多少次替换

• typedef

1. 有对应的数据类型，是要进行判断的
2. 是在编译、运行的时候起作用
3. 在静态存储区中分配空间，在程序运行过程中内存中只有一个拷贝

• inline

1. inline是将内联函数编译完成后生成的函数体直接插入被调用的地方，减少了压栈、跳转和返回的操作，节省了普通函数调用时的额外开销
2. 内联函数是一种特殊的函数，会进行类型检查
3. 它是一种对编译器的请求，编译器可能拒绝这种请求

【补充】C++中的inline限制：

1. 不能存在任何形式的循环语句
2. 不能存在过多的判断语句
3. 函数体不能太过庞大
4. 内联函数声明必须在调用语句之前

const和define的区别 const用于定义常量；define也用于定义宏的，而宏也可以定义常量。对于定义常量这一点，两者存在一定区别：

1. const生效与编译阶段；define生效与预处理阶段
2. const定义的常量会存储在内存当中的（也就是需要分配空间的）；define定义的常量直接是操作数，直接进行替换，并不会分配内存
3. const定义的常量是带有类型的，需要进行类型检查；define定义的常量不带类型

new和malloc的区别

1. new分配内存失败会抛出bac_alloc异常，但是不会返回NULL；malloc分配内存失败会返回NULL
2. 使用new操作符进行内存申请不需要指定内存块的大小；malloc需要显式支出申请的内存大小
3. 可以使用operator对new进行重载；malloc不允许被重载
4. new会调用对象的构造、析构函数；malloc并不会
5. new\delete是C++运算符；malloc是C++/C标准库函数
6. new操作符是从自由存储区上位对象动态分配内存；malloc函数是从堆上动态分配内存

总结示意图：

constexpr和const

• const表示“只读”含义；constexpr表示“常量”含义
• const可以定义编译器常量，也可以定义运行期常量；constexpr只能定义编译期常量

这里要注意一下两之间的关系：

如果将一个成员函数或者变量标记为constexpr，那么就顺带将其标记为了const。反之则不成立，一个函数或者变量是const的，并不就是constexpr的。

• constexpr变量

d我们可使用constexpr来声明一个变量，由编译器来验证一个变量的值是否是常量表达式：

也就是说使用constexpr来声明变量，必须使用常量表达式进行初始化。

如果我们使用constexpr来声明定义一个指针，constexpr只对于指针有效，与指针所指向的对象无关：

constexpr int* p1 = nullptr; // 编译期常量指针，指针值在编译期已知，语义类似 int* const
const int* p2 = nullptr;     // 底层 const，指向常量的指针：指针可改，指向的值不可改
int* const p3 = nullptr;     // 顶层 const，常量指针：指针本身不可改，指向的值可改

• constexpr函数

constexpr是能够在编译期被求值的函数，换句话说是能够用于常量表达式的函数。

C++11要求，constexpr修饰的函数的返回类型，所有的形参都是字面值类型，函数体有且只有一条return语句。

例如：

constexpr int new() {return 42;}

值得注意的是，为了constexpr修饰的函数能够在编译期展开，会被隐式地转换成内联函数。

• constexpr构造函数

构造函数肯定不能是const的，但是对于字面值常量类的构造函数可以是constexpr的：

class Point {  // 这是一个字面值常量类
    int x, y;
public:
    /constexpr构造函数
    constexpr Point(int x, int y) : x(x), y(y) {}
    
    constexpr int getX() const { return x; }
    constexpr int getY() const { return y; }
};


//constexpr构造函数必须有一个空的函数体，即所有成员变量的初始化都放到初始化列表中。
//对象调用的成员函数必须使用 constexpr 修饰

这里补充一下什么是字面值常量类：

1. 所有数据成员都是字面值类型
2. 至少有一个constexpr构造函数
3. 析构函数是平凡的（trivial）或默认的
4. 满足其他一些技术条件

volatile

这是一个与const绝对对立的，类型修饰符。该修饰符会影响编译器编译的结果，用该关键字修饰的变量，表示该变量随时可能发生改变，告诉编译器所有与改变变量有关的运算不要进行编译优化；会从内存中重新装载内容，而不是直接从寄存器拷贝内容。

下面举一个例子进行说明：

int flag = 0;

void wait() {
    while (flag == 0) {
        // 空循环等待
    }
}

//正常情况下，编译器可能优化为：


//1. 将flag加载到寄存器
mov eax, [flag]

//2. 循环只检查寄存器，不从内存重新读取
loop_start:
test eax, eax    ; 只检查寄存器中的值
je loop_start    ; 如果为0继续循环

那么这个时候如果其他线程修改了flag的值，就可能导致死循环。

而如果我们使用volatile：

volatile int flag = 0;  // 告诉编译器：这个变量可能被意外修改

void wait() {
    while (flag == 0) {
        // 现在编译器不会优化掉内存访问
    }
}

//那么生成的汇编如下：

//每次循环都从内存重新加载
loop_start:
mov eax, [flag]  ; 每次都从内存读取
test eax, eax
je loop_start    ; 为0则继续循环

前置++与后置++

self &operator++() {
    node = (linktype)((node).next);
    return *this;
}

const self operator++(int) {
    self tmp = *this;
    ++*this;
    return tmp;
}

两者性能上的区别：

• 前置++：直接修改对象，返回自身引用（没有临时对象）
• 后置++：需要保存旧值，修改对象，然后返回旧值（有临时对象）

C++为了区分前后置，后置++有一个int哑元参数，调用的时候编译器会默认给后置++生成一个0。

面试可能提问：

• 为什么后置返回对象而不是引用？

因为后置为了返回旧值，创建了一个临时对象来接收，但是在函数结束时这个临时对象被销毁了，如果此时返回引用，引用的绑定目标都没有了。

• 为什么后置前面要加const？

这是为了防止误用i++++，连续的两次调用后置++重载，我们举例进行说明，

如果我们不加const，那么可能出现下面情况：

// 用户可能期望：
c++++;  // "c应该变成7吧？"

// 实际上：
// 第一次c++：返回值为5的临时对象，c变成6
// 第二次++：对临时对象自增（临时对象变成6）
// 临时对象被销毁，c仍然是6！
// 结果：用户期望c=7，实际c=6

程序会成功运行，但是结果是错误的，所以为了防止不可预测的后果，我们使用const来直接禁止这种使用的合法化：

// 尝试连续后置++
c++++;  //编译错误！
// 第一次c++：返回const Counter临时对象
// 第二次++：尝试对const对象调用operator++
// 编译器报错：不能修改const对象

也就是如果遇到i++++用法，直接报错！

• 处理用户自定义类型

最好使用前置++，因为它不会创建临时对象，进而不会带来构造和析构的额外开销。