2023最新C++面经(一):vector内存预分配,左值引用和右值引用,move语义

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零、前言

今天在朋友圈看到别人发的一套C++面经，特意思考了一下

一、在C++中,往vector插入1000个数字，怎么做能保证性能最高

以下是一些可以提高在C++中向vector中插入大量数字性能的技巧：

1. 预先分配内存空间：使用vector::reserve函数预先分配足够的内存空间，以避免在插入元素时进行重新分配内存的开销。例如，如果你需要插入1000个数字，可以使用vector::reserve(1000)在插入前先为向量分配1000个元素的空间。
2. 使用移动语义：使用std::move将元素插入vector，而不是使用拷贝构造函数。因为拷贝构造函数会导致新的内存分配和数据复制，而使用移动语义可以避免这些开销。例如，可以使用以下代码向vector中插入一个元素：

vector<int> v;
int x = 123;
v.push_back(std::move(x));

3. 批量插入元素: 使用std::vector::insert函数批量插入元素，而不是使用单个插入函数。因为单个插入函数可能会多次进行内存分配和内存复制，而批量插入函数可以减少这些开销:

vector<int> v;
vector<int> data(1000);
v.insert(v.end(),data.begin(),data.end());

4. 使用移动迭代器: 使用std::make_move_iterator将元素转换为移动迭代器以避免拷贝构造函数的开销。

std::vector<std::string> v;
std::string str = "hello";
v.insert(v.end(), std::make_move_iterator(std::begin(str)), std::make_move_iterator(std::end(str)));

二、在vector中对10000个数字删除偶数位置的数，怎么做保证性能较高

以下是一些可以提高在C++中从vector中删除偶数位置的数字的性能的技巧：

1. 使用erase-remove惯用法：使用erase-remove惯用法从vector中删除偶数位置的数字。该惯用法的思想是先使用std::remove_if算法将所有需要删除的元素移动到vector的末尾，然后再使用std::vector::erase函数删除这些元素。例如，可以使用以下代码从vector中删除偶数位置的数字：

std::vector<int> v{...}; // 假设有10000个数字
v.erase(std::remove_if(v.begin(), v.end(), [](const auto& x){ return &x - &v[0] % 2 == 0; }), v.end());

2. 使用reserve预分配内存：在删除元素之前使用std::vector::reserve函数预分配足够的内存，以避免在移动元素时进行重新分配内存的开销。例如，可以使用以下代码预分配内存：

std::vector<int> v{...}; // 假设有10000个数字
v.reserve(v.size() / 2);

3. 使用迭代器递增器：在使用std::remove_if算法时，使用迭代器递增器std::next来遍历vector中的元素，而不是使用索引操作符。例如，可以使用以下代码遍历vector中的元素

std::vector<int> v{...}; // 假设有10000个数字
v.erase(std::remove_if(v.begin(), v.end(), [i = 0](const auto&){ return i++ % 2 == 0; }), v.end());

该代码使用了lambda表达式作为std::remove_if算法的谓词，其中[i = 0]表示定义了一个名为i的变量，并初始化为0。i++ % 2 == 0表示先取i的值，然后将i加1，再判断该值是否为偶数。使用迭代器递增器可以避免使用索引操作符的性能开销。

在这句代码中，const auto&是一个lambda表达式的参数，它代表了一个引用类型的元素。lambda表达式是一个匿名函数，它可以接受一个或多个参数，这些参数可以是值类型、引用类型或者指针类型。

在这个lambda表达式中，使用const auto&作为参数，表示接受一个任意类型的常量引用。在std::remove_if算法中，该lambda表达式作为谓词被调用，每次调用时会传入vector中的一个元素，并对该元素进行判断。由于lambda表达式中的参数是一个常量引用，所以在对该元素进行判断时不会改变原始vector中的元素。

在该lambda表达式中，i++ % 2 == 0表示先取i的值，然后将i加1，再判断该值是否为偶数。由于在lambda表达式中定义了一个变量i，所以可以通过该变量来判断元素在vector中的位置是否为偶数位置。

三、malloc用delete会出现什么问题

malloc()和delete是两个不同的内存分配和释放函数，它们具有不同的行为和约定。使用malloc()分配的内存需要使用free()函数进行释放，而使用new运算符分配的内存需要使用delete运算符进行释放。因此，如果使用delete释放使用malloc()分配的内存，会导致内存错误和未定义的行为。

使用delete释放使用malloc()分配的内存，可能会导致以下问题：

1. 内存泄漏：如果使用delete释放使用malloc()分配的内存，将无法正确释放内存，导致内存泄漏。

2. 崩溃或异常：使用delete释放使用malloc()分配的内存，可能会导致程序崩溃或抛出异常，因为delete假设它的参数是通过new分配的内存。

3. 不正确的内存释放：使用delete释放使用malloc()分配的内存，可能会释放掉不属于该内存块的内存，或者释放掉一个已经被释放的内存块，导致不正确的内存释放。

四、weak_ptr解决的是什么问题，lock返回的对象可以直接使用吗

weak_ptr是C++11中引入的一种智能指针类型，用于解决shared_ptr循环引用导致的内存泄漏问题。在使用shared_ptr进行循环引用时，如果存在两个或多个shared_ptr相互引用，那么它们之间的引用计数永远不会达到0，导致分配的内存永远无法被释放。而weak_ptr则可以作为一个非拥有者指针，指向shared_ptr所管理的对象，但不会增加引用计数，因此不会导致循环引用和内存泄漏问题。

lock()函数是weak_ptr提供的一个成员函数，用于返回一个指向weak_ptr所管理对象的shared_ptr对象。lock()函数首先检查weak_ptr所指向的对象是否还存在，如果存在，则返回一个指向该对象的shared_ptr对象；否则，返回一个空的shared_ptr对象。使用lock()函数获得shared_ptr对象后，可以使用该对象来访问weak_ptr所管理的对象。需要注意的是，在使用lock()函数获得shared_ptr对象之前，需要检查lock()返回的shared_ptr对象是否为空，如果为空则表示weak_ptr所指向的对象已经被销毁了。

返回的shared_ptr对象可以直接使用，但需要注意其生命周期。shared_ptr对象在所有指向该对象的shared_ptr对象都被销毁后才会自动销毁，因此如果需要使用shared_ptr对象，需要确保该对象的生命周期符合预期，以避免内存泄漏等问题。另外，由于weak_ptr对象只是一个非拥有者指针，它并不拥有shared_ptr所管理的对象，因此需要确保在使用lock()函数返回的shared_ptr对象之前，shared_ptr所管理的对象仍然存在，否则会出现未定义的行为。

五、C++中的左值引用和右值引用是什么？ 如果不写移动构造函数，那调用的会是什么？

左值引用和右值引用都是C++中的引用类型，用于表示一个对象的别名。其中左值引用表示对一个左值对象的引用，而右值引用表示对一个右值对象（包括临时对象和将要销毁的对象）的引用。

左值引用的声明形式为T&，表示对类型为T的左值对象的引用；而右值引用的声明形式为T&&，表示对类型为T的右值对象的引用。例如，以下代码声明了一个左值引用和一个右值引用：

int x = 123;
int& lref = x;  // 左值引用
int&& rref = 123;  // 右值引用

在C++11之前，如果没有编写移动构造函数，当一个对象被移动构造时，实际上是调用了该对象的拷贝构造函数。因此，如果一个类没有显式定义移动构造函数，但是有拷贝构造函数，当使用右值引用移动构造该对象时，实际上是调用该类的拷贝构造函数。

在C++11及之后的版本中，如果一个类定义了移动构造函数，那么当使用右值引用移动构造该对象时，实际上是调用该类的移动构造函数。移动构造函数是一种特殊的构造函数，用于将一个对象的资源（如堆内存、文件句柄等）从一个对象转移到另一个对象，而不进行数据的复制。使用移动构造函数可以避免拷贝大量数据的开销，提高程序的性能。

需要注意的是，如果一个类既定义了拷贝构造函数，又定义了移动构造函数，那么在使用右值引用移动构造该对象时，会优先调用移动构造函数。如果没有定义移动构造函数，但是定义了移动赋值运算符，那么在使用右值引用进行赋值操作时，会调用移动赋值运算符。如果同时没有定义移动构造函数和移动赋值运算符，但是定义了析构函数，那么在对象销毁时，会使用拷贝构造函数进行拷贝构造。如果以上所有函数都没有定义，那么编译器会生成默认的函数实现。

六、移动构造函数实例

class MyClass {
public:
  // 移动构造函数
  MyClass(MyClass&& other) noexcept {
    // 将other对象的资源移动到当前对象
    data_ = other.data_;
    size_ = other.size_;
    // 将other对象的资源释放
    other.data_ = nullptr;
    other.size_ = 0;
  }
  
  // 其他成员函数
  // ...
  
private:
  int* data_;
  size_t size_;
};

该移动构造函数使用右值引用作为参数类型，并且使用了noexcept关键字，表示该函数不会抛出异常。在移动构造函数中，首先将另一个对象的资源移动到当前对象，然后将另一个对象的资源释放，以避免资源的重复释放。

在该例子中，假设data_是一个指向堆内存的指针，size_表示堆内存的大小。在移动构造函数中，将另一个对象的data_指针和size_成员移动到当前对象，然后将另一个对象的data_指针置为nullptr，size_成员置为0，以表示另一个对象的资源已经被移动到当前对象。

移动构造函数可以在类中定义，也可以在类外定义。如果在类外定义，需要在函数名前添加类名和作用域解析符::。需要注意的是，移动构造函数的参数应该是一个非const右值引用，并且应该使用noexcept关键字标记，以便在移动操作时可以获得更好的性能和安全性。

移动构造函数的参数为什么要是一个非const右值引用呢？ 这是因为移动构造函数的参数为非const右值引用是为了表示该参数是一个将要销毁的对象（右值对象），并且该对象的资源可以被移动到另一个对象中。非const右值引用参数的特点是不能被赋值、取地址和修改值，因此移动构造函数可以对该参数进行资源的“窃取”，而不必担心该对象被修改或复制。此外，由于移动构造函数可以修改参数对象的状态，因此该参数不能是const类型的，否则会导致编译错误。

七、std::move

std::move是C++11引入的一个函数模板，用于将一个左值转换为右值引用，以便在移动构造函数和移动赋值运算符中使用。std::move本质上只是将一个左值强制转换为右值引用，它并不会实际地移动对象或改变对象的状态。

在正常情况下，使用std::move可以将一个左值对象的资源（如堆内存、文件句柄等）移动到一个新的对象中，从而避免了拷贝大量数据的开销，提高了程序的性能。使用std::move时需要注意以下几点：

1. std::move只能用于可移动的对象：使用std::move时，需要确保对象的类型支持移动语义，即有移动构造函数和移动赋值运算符。如果对象没有移动构造函数和移动赋值运算符，则无法使用std::move进行移动操作。
2. 移动后对象的状态：使用std::move将一个对象的资源移动到另一个对象中后，原始对象的状态可能会发生变化，例如指针会被置为空、计数器会被减少等。需要确保移动后对象的状态符合预期，以避免错误的操作。
3. 临时对象的生命周期：在某些情况下，使用std::move将一个左值对象转换为右值引用后，会生成一个临时对象。例如，将一个std::vector对象传递给函数时，如果使用std::move将该对象转换为右值引用，则会生成一个临时对象。需要确保临时对象的生命周期符合预期，以避免临时对象在不适当的时候被销毁或者访问已经失效的对象。

八、对于map和unordered_map容器怎么分别做到对字母的大小写不敏感

在map和unordered_map容器中实现大小写不敏感，可以通过自定义比较函数来实现。具体来说，可以重载std::map和std::unordered_map容器中的Compare类型，定义一个自己的比较函数对象，并将其作为容器的第三个模板参数传递进去。比较函数对象需要重载operator()运算符，对于字符串类型的键，可以在比较之前将所有字符转换成小写或大写字母，然后再进行比较。
以下是一个示例代码：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

struct CaseInsensitiveLess
{
    bool operator()(const std::string& lhs, const std::string& rhs) const
    {
        std::string lstr(lhs);
        std::string rstr(rhs);
        std::transform(lstr.begin(), lstr.end(), lstr.begin(), ::tolower);
        //transform函数: transform是一个通用算法，用于对指定区间内的元素进行转换，并将结果存储在另一个区间中。transform算法接受两个输入迭代器和一个输出迭代器作为参数，以及一个一元或二元操作函数对象（可通过函数指针、函数对象、Lambda表达式等形式指定），将指定区间内的元素依次传入操作函数进行转换，然后将转换后的结果存储到输出迭代器指向的位置。
        std::transform(rstr.begin(), rstr.end(), rstr.begin(), ::tolower);
        return lstr < rstr;
    }
};

int main()
{
    std::map<std::string, int, CaseInsensitiveLess> m;
    m["a"] = 1;
    m["B"] = 2;
    m["c"] = 3;
    std::cout << m["A"] << std::endl; // 输出 1
    std::cout << m["b"] << std::endl; // 输出 2

    std::unordered_map<std::string, int, std::hash<std::string>, CaseInsensitiveLess> um;
    um["a"] = 1;
    um["B"] = 2;
    um["c"] = 3;
    std::cout << um["A"] << std::endl; // 输出 1
    std::cout << um["b"] << std::endl; // 输出 2

    return 0;
}

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