元绎互动 C++ 面经：智能指针、内存管理与并发

《面试题目》

1. 智能指针有了解吗？shared_ptr 是线程安全的吗？
2. new/delete 和 malloc/free 有什么区别？
3. C++ 程序运行时的内存是如何管理的？
4. 堆和栈有什么区别？函数调用时栈空间是如何布局的？
5. move 有了解吗？
6. 模板有了解吗？模板的类型是在什么时候确定的？相关内存优化了解吗？
7. 了解哪些设计模式？SOLID 原则是什么？
8. 多线程之间有哪些同步方式？C++ 中如何进行原子操作？
9. 对于锁都了解哪些？用过哪些？读写锁有了解吗？
10. 哈希表是如何实现的？哈希冲突有哪些解决方法？
11. Reactor 有了解吗？

《参考解析》

shared_ptr 的线程安全要分三层说

第一层，引用计数的增减是原子的（控制块里的计数用原子操作或锁保护），所以多个线程各自持有一份 shared_ptr 副本、各自拷贝或析构，是安全的。第二层，同一个 shared_ptr 实例被多个线程同时读写（一个线程赋值、另一个线程读）不是线程安全的，因为指针和控制块指针这两个字段不是一起原子更新的，需要加锁或用 C++20 的 std::atomic<std::shared_ptr<T>>。第三层，被指向的对象本身的并发访问，shared_ptr 完全不负责。另外要提循环引用——两个对象互相持有 shared_ptr 会导致引用计数永不归零，用 weak_ptr 打破；以及 make_shared 把对象和控制块合并成一次分配，缓存更友好但会让 weak_ptr 延长整块内存的生命周期。

new/delete 与 malloc/free

new 做两件事：调用 operator new 分配原始内存，然后在上面构造对象；delete 先析构再释放内存。malloc/free 只管字节，不调用构造与析构。其他差异：new 返回正确类型的指针、失败抛 bad_alloc（malloc 返回 NULL）；new[] 必须配 delete[]，混用是未定义行为；malloc 家族有 realloc，new 没有；operator new 可以重载，用来做内存池、对齐分配或统计。自定义类型上混用 free 释放 new 出来的对象，析构不会执行，是典型的内存泄漏加未定义行为。

进程内存布局与函数栈帧

从低地址到高地址大致是：代码段（text）、只读数据（rodata）、已初始化全局与静态数据（data）、未初始化数据（bss）、堆（向上增长，小分配走 brk、大分配走 mmap）、内存映射区（共享库、文件映射）、栈（向下增长）、内核空间。函数调用时栈帧里依次放：调用者的参数与寄存器溢出区、返回地址、保存的 rbp、被调用者的局部变量与临时对象、对齐填充。栈默认大小通常 8 MB（ulimit -s 可查），递归过深或超大局部数组会栈溢出；堆由分配器管理（glibc 的 arena、tcache、bins），释放后不一定立刻还给操作系统。

move 语义

std::move 本身不移动任何东西，它只是一个到右值引用的类型转换。真正干活的是移动构造和移动赋值：把源对象的资源指针接管过来并把源置为有效但未指定状态。移动构造标 noexcept 很重要，因为 vector 扩容时只有在移动构造不抛异常的情况下才会选择移动而不是拷贝。C++17 起有保证的拷贝消除，return localObj; 直接构造在返回槽位，所以不要写 return std::move(localObj);，那反而会抑制 RVO。

模板的类型在什么时候确定

编译期。模板是编译期多态，实例化发生在编译时，所以类型错误在编译期就能发现，代价是编译时间和代码膨胀。理解要点：两阶段名字查找（非依赖名在定义时查找，依赖名在实例化时通过 ADL 查找）；相关优化包括用 if constexpr 在编译期剪枝、用 CRTP 做静态多态省掉虚函数开销、模板特化与 traits 做零成本抽象。反面是类型擦除（std::function、虚函数）会带来间接调用开销，选型时看是否需要运行期多态。

设计模式与 SOLID

SOLID 五条要能各举一个例子：单一职责（一个类只干一件事）、开闭（新增功能靠扩展而不是改旧代码）、里氏替换（子类不能破坏父类的契约，别让 Square 继承 Rectangle）、接口隔离（别让实现类实现用不到的方法）、依赖倒置（依赖抽象而不是具体实现，便于替换和测试）。C++ 里最常用的其实是 RAII 加智能指针、工厂、策略、观察者、适配器、装饰器、单例。说模式时带上代价：单例让测试变难，观察者要处理生命周期和线程安全，装饰器会引入多层间接。

多线程同步与原子操作

同步手段分几类：互斥量（mutex、recursive_mutex、shared_mutex）、条件变量（配 mutex 用的等待与通知）、信号量（C++20 的 counting_semaphore）、原子类型（std::atomic）、以及无锁结构里的内存序。原子操作要讲清 compare_exchange_weak 与 strong 的区别（weak 允许伪失败，适合放在循环里）、常用内存序的语义（relaxed 只保证原子性、acquire/release 配对建立同步关系、seq_cst 是默认的全局顺序）以及 fetch_add、load/store 的用法。还要提伪共享：两个线程写同一缓存行里的不同变量会让缓存行反复失效，用 alignas(64) 填充隔开。读写锁适合读多写少，但要注意写者饥饿，而且它不可重入。

哈希表的实现与冲突解决

结构是数组加哈希函数。冲突解决两大类：链地址法（每个桶挂链表，Java 8 的 HashMap 在链表长度达到 8 且容量不小于 64 时转红黑树；C++ 的 unordered_map 也是桶加链表）和开放寻址（线性探测、二次探测、双重散列；删除需要墓碑标记，否则会截断探测链）。配套要有负载因子和扩容 rehash 策略，扩容时渐进式 rehash 可以避免一次卡顿（Redis 就是这么做的）。工程上还要考虑哈希函数的质量（防止碰撞攻击）、key 的可哈希性，以及迭代器失效规则。

Reactor 模式

Reactor 是事件驱动的 IO 处理模式：一个事件循环用 IO 多路复用（Linux 上是 epoll）等待事件，事件到达后分派给对应的处理器回调。组成是 Reactor（事件分发）、Acceptor（处理新连接）、Handler（读写与业务）。演进路线：单 Reactor 单线程（Redis 的网络部分思路）、单 Reactor 多线程（业务丢线程池）、主从 Reactor（主 Reactor 只管 accept，从 Reactor 管读写，Netty 和 muduo 都是这个结构）。要能对比 Proactor（异步 IO，由内核完成后回调，Windows IOCP）以及 epoll 的 LT 与 ET 区别（ET 必须一次把数据读干净，否则不再通知，通常配非阻塞 IO 循环读）。