金山 C++研发一面：编译链接、智能指针与虚函数模型

《面试题目》

1. 请做一下自我介绍
2. 一个 C++ 源文件从编写到生成可执行文件，中间会经过哪些阶段？
3. const 成员函数为什么可以被常量对象调用？mutable 会带来什么影响？
4. 指针、引用和智能指针分别应该表达什么语义？
5. shared_ptr 的控制块通常包含哪些内容？为什么不同实例之间线程安全不等于同一个变量线程安全？
6. weak_ptr::lock() 和 expired() 有什么区别？为什么不能用 expired() 代替 lock()？
7. 虚函数调用通常如何实现？它对对象布局和性能有什么影响？
8. 纯虚函数和抽象类有什么关系？纯虚析构函数为什么还要提供实现？
9. 虚继承主要解决什么问题？为什么它会增加对象模型复杂度？
10. 多继承中出现同名成员时，如何消除调用歧义？

《参考解析》

预处理的四个阶段是怎么分工的：预处理只做文本操作——展开头文件、替换宏、按条件编译裁剪，产物还是源码；编译把源码变成汇编，模板实例化、重载决议、优化都在这里完成；汇编把汇编翻译成目标文件，此时符号未解析、地址是占位的；链接负责符号解析与重定位，把多个目标文件和库合成可执行文件。排错时可以按阶段对号入座：undefined reference 是符号解析失败（目标文件没参与链接、签名对不上、静态库顺序错），multiple definition 通常是函数定义写进了头文件，运行时找不到动态库则属于搜索路径问题，跟链接期无关。

const 成员函数与 mutable 的边界：const 成员函数做的事情是把隐式 this 从 X* 变成 const X*，所以常量对象才调用得了它。mutable 在这个承诺上开一个口子，合理用途是缓存、计数、懒加载这类不改变对象逻辑状态的东西。两点要记住：别拿 mutable 当绕开 const 改业务状态的后门；mutable 只解决编译期限制，不提供任何线程安全，多线程共用一个懒加载缓存照样要加锁。

智能指针表达的其实是三种所有权关系：引用表达「对象一定存在、我不负责它的生死、绑定关系不变」，适合函数参数和返回值。裸指针适合表达「可能为空」或「只是观察，不拥有」——用后者时必须在接口约定里写清谁释放。unique_ptr 是独占所有权，语义最窄最便宜，默认首选；shared_ptr 是共享所有权，引入原子计数、控制块和「谁最后释放」的运行时不确定性；weak_ptr 表达「我观察但我不参与决定」。「为了自动管理就全上 shared_ptr」是反模式——它把生命周期从设计问题变成了运行时问题。

「引用计数线程安全」的边界：控制块里通常有强计数、弱计数（两者都归零才回收控制块）、删除器。强计数减到 0 销毁被管理对象，弱计数也归零才释放控制块——这正是 weak_ptr 能判断对象是否存活的基础。线程安全的部分只是多个 shared_ptr 实例共享同一控制块时计数的增减；同一个 shared_ptr 变量被多线程无同步读写仍是数据竞争，因为要动的除了计数还有指针本身，得加锁或用 C++20 的 std::atomic<std::shared_ptr<T>>。另外，引用计数保护的只是控制块，不等于被管理对象内部的成员访问是线程安全的；也绝不要拿同一个裸指针分别构造两个 shared_ptr，那会产生两个控制块，最终 double free。

为什么必须用 lock() 而不是 expired()：expired() 只是一次快照，回答「这一瞬间强计数是否为 0」，返回 false 之后别的线程完全可能在你访问对象之前释放掉最后一个 shared_ptr，于是 if (!wp.expired()) use(*wp); 是典型的检查后使用竞态。lock() 则是原子地尝试提升为强引用：成功返回非空 shared_ptr（持有它期间对象一定不会销毁），失败返回空。所以正确写法只有 if (auto sp = wp.lock()) { sp->use(); }；只判断存活、不访问对象时才可以用 expired()。

虚函数模型与几个高频追问：虚函数靠对象里的虚表指针加虚表分派，覆写就是替换虚表槽位，代价是对象多一个指针、调用多一次间接跳转（类型明确时编译器可以去虚化）。构造函数不能是虚函数，因为此时虚表指针还没就位；基类析构函数必须是虚函数，否则用基类指针 delete 派生类对象只会走基类析构、派生类资源泄漏。纯虚析构函数照样让类变成抽象类，但必须提供实现，因为派生类析构会沿继承链调它。虚继承解决的菱形继承中公共基类被复制多份的问题，代价是共享的虚基类子对象位置无法静态确定，编译器要插虚基类表指针、构造顺序也变成虚基类优先且只构造一次。多继承的同名成员会直接报二义性，用 Base1::print() 显式限定，或在派生类里重写一个同名函数盖住两者。