八股笔记

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基础、存储期与内存 ​

局部变量、全局变量与静态局部变量 ​

应从 作用域（名字可见范围）、存储期（对象生存期） 和 链接属性（跨编译单元可见性） 三个维度理解。

类型典型声明位置作用域存储期常见存放区域
自动局部变量函数/代码块内当前块进入块时创建，离开时销毁通常在栈帧，优化后可能在寄存器
全局变量命名空间作用域声明后的相应作用域静态存储期，程序开始/结束附近构造析构data/BSS 等静态区域
静态局部变量函数/代码块内加 static当前块静态存储期，只初始化一次静态区域

图中的“程序开始/结束附近”刻意不表示精确构造析构顺序：跨翻译单元的非局部静态对象仍可能有初始化顺序问题。

cpp
int global_count = 1;       // 全局对象：静态存储期

int next_id() {
    static int id = 0;      // 仅该函数可见，但整个程序期间存在
    return ++id;
}
  • 未显式初始化的静态存储期对象会先零初始化；自动局部基础类型若未初始化，其值通常是不确定的。
  • C++11 起，函数内静态变量的初始化由语言保证线程安全；但之后对该变量的并发读写仍需自行同步。
  • 非局部静态对象跨编译单元的初始化顺序可能有问题（static initialization order fiasco）；按需构造的函数内静态对象常用于规避。

static 的常见含义 ​

static 的意义随上下文改变：

  1. 局部变量：延长到静态存储期，同时保持块作用域；
  2. 命名空间作用域变量/函数：内部链接，只在当前翻译单元可见（现代 C++ 常优先用匿名命名空间）；
  3. 类静态数据成员：属于类而非某个对象，所有实例共享；
  4. 类静态成员函数：没有 this 指针，只能直接访问静态成员，可通过 Class::func() 调用。

类静态数据成员与静态成员函数 ​

类静态数据成员只有一份对象实体，不嵌入每个类对象；它具有静态存储期，所有该类对象都访问同一份状态。派生类可以按访问控制规则使用基类静态成员，但这仍是基类的同一份成员；若派生类声明同名静态成员，发生的是名称隐藏，不会自动“覆盖”基类成员。

cpp
class Limits {
public:
    static int max_connections; // 类内声明，不分配定义实体
    static void reset() {
        max_connections = 1'024; // 合法：静态函数没有 this，但可访问静态成员
    }

    void set_limit(int value) {
        max_connections = value; // 非静态函数也可访问静态成员
    }
};

// C++17 之前或未使用 inline 时：在一个 .cpp 中恰好定义一次。
// 这里不再写 static，也不写 public/private。
int Limits::max_connections = 1'024;

C++17 起，适合放在头文件中的共享状态可写成 inline static，声明同时就是定义，不需要额外的类外定义：

cpp
class Defaults {
public:
    inline static int timeout_ms = 1'000;
};

静态成员与对象本身的布局分离，因此可声明为所属类自身的类型；普通非静态成员在类定义结束前需要已知完整大小，不能按值包含自己：

cpp
class Node {
public:
    static Node sentinel; // 合法：定义可放在类完整定义之后
    Node* next = nullptr; // 合法：指针大小已知
    // Node child;        // 不合法：Node 尚未完整，且会无限递归嵌套
};

默认实参在调用时没有 this 对象可用，因此可以使用此前已声明的静态成员，不能使用普通非静态数据成员：

cpp
class Buffer {
public:
    static int default_capacity;

    void reserve(int capacity = default_capacity); // 合法
    // void reserve_bad(int capacity = capacity_); // 不合法：需要具体对象的成员

private:
    int capacity_ = 0;
};

静态成员函数同样没有 this，不能直接读写 capacity_ 等非静态成员，也不能声明为 virtual、成员函数 const 或访问某个对象特有的状态；需要对象状态时应使用非静态成员函数并明确由哪个对象调用。

常见易错点：

  • 不要在类外定义中再次写 static，也不要重复 public / private；
  • 不要把“所有对象共享”理解为自动线程安全；对静态可变状态的并发读写仍需锁或原子同步；
  • C++17 前，类内初始化的整型 const / constexpr 静态成员在某些 odr-use 场景仍可能需要类外定义；新代码优先使用 inline static 消除这类定义分离问题；
  • 静态成员函数可通过 Class::func() 调用，也可用对象调用，但后者不会隐式提供 this，通常不如类名调用清晰。

const 的作用 ​

const 表示通过该名字/访问路径不可修改：

  • const int value = 42;：对象不可经 value 修改；
  • void print(const Widget& w);：承诺不经该引用修改对象；
  • int size() const;：成员函数不能修改对象的非 mutable 成员；
  • 配合指针限定“指向的数据”和“指针自身”是否可变，详见下一篇。

const 不等于绝对线程安全：不可变对象通常更易安全共享，但若对象包含 mutable 状态、指向可变外部数据或发生未同步发布，仍可能有并发问题。

常见程序内存区域 ​

教材常将进程映像概括为代码段、只读数据段、已初始化数据段、BSS、堆和栈。它有助于理解，但标准 C++ 不规定具体地址布局；实际布局会受操作系统、ABI、ASLR、优化和分配器影响。

这不是所有平台都使用的精确地址图；尤其是映射区、堆栈方向和段的合并方式均属于系统与 ABI 实现细节。

.bss 为什么能节省可执行文件体积 ​

零初始化的全局/静态对象通常位于 .bss，例如：

cpp
int huge_buffer[10'000'000]; // 通常位于 .bss

链接器不必把一千万个 0 真正写入可执行文件，只需记录 .bss 所需的大小；程序加载时，操作系统再为它提供零初始化的内存页。因此 .bss 可以让运行时占用很大内存的零初始化数据不显著增大可执行文件。相对地，含有非零初始值的数据通常需要把初值写入文件，常位于 .data。

核心原则是对象的存储期和所有权：自动对象由作用域销毁，动态对象由 delete 或 RAII 所有者销毁，静态对象由运行时在程序结束附近清理。

对象大小与内存对齐 ​

对象成员通常按其对齐要求布局，编译器可能插入 padding；最终 sizeof(T) 也通常补齐为 alignof(T) 的整数倍。下面以常见 ABI 中的 char + int + char 为例：

成员顺序改为 int value; char c; char tag; 在常见 ABI 下常可减小填充，但不能为了节省几个字节破坏语义或可读性。对齐规则应通过 sizeof、alignof 在目标平台验证。

空类、空基类优化与对象大小 ​

真正的空类没有非静态数据成员、虚函数或虚基类。单独创建的完整对象仍需具有可区分的地址，因此 sizeof(Empty) 至少为 1；常见实现中为 1 字节。静态数据成员和成员函数不属于单个对象的存储，通常不会改变这个结论：

cpp
struct Empty {
    static inline int count = 0; // C++17：不嵌入每个 Empty 对象
    void run() {}                // 成员函数代码也不嵌入对象
};

static_assert(sizeof(Empty) >= 1);

空类作为普通成员时也需要自己的地址，可能再引入 padding；作为基类时，编译器通常可以应用空基类优化（EBO），让空基类子对象不额外占用存储：

cpp
struct Tag {};

struct MemberLayout {
    Tag tag;     // 普通成员通常需要占位
    int value;
};

struct BaseLayout : Tag { // 常见实现可应用 EBO
    int value;
};

// 常见 ABI：sizeof(MemberLayout) 为 8，sizeof(BaseLayout) 为 4；
// 具体结果仍应在目标平台用 sizeof 验证。

C++20 的 [[no_unique_address]] 可让空的普通成员也与其他成员复用存储，适合零状态策略/分配器成员；是否以及如何重叠仍由实现决定：

cpp
struct CompactLayout {
    [[no_unique_address]] Tag tag;
    int value;
};

这是需要编译器实际支持的 C++20 属性；可用 __has_cpp_attribute(no_unique_address) 检查能力。未支持时不能假定空成员会消失，也不应为了固定 sizeof 依赖厂商扩展。

不要把“没有自己声明的数据成员”误认为一定是空类。含虚函数的类并非标准意义的空类；主流 ABI 通常会加入虚调用相关指针，大小常接近一个指针，但 vptr/vtable 的存在和位置都不是 C++ 标准保证，详见对象模型、RTTI 与多态设计。

函数调用栈与递归 ​

每次函数调用通常会创建一个栈帧（stack frame），保存该调用恢复执行所需的信息，例如返回地址、参数、自动局部变量以及部分被保存的寄存器状态。具体布局由 CPU 架构、ABI、编译器和优化选项决定，并非 C++ 标准固定规定。

以阶乘递归为例：

cpp
int factorial(int n) {
    if (n == 1) return 1;
    int sub = factorial(n - 1);
    return n * sub;
}

调用 factorial(3) 时，调用栈的变化可简化为：

每一层递归都必须保留自己的 n 与“递归调用返回后还要继续执行什么”。例如 factorial(3) 必须等待 factorial(2) 的结果，才能完成 3 * sub；因此递归额外空间通常与最大递归深度成正比，即 O(depth)。

递归应有可达的终止条件；深度过大或无限递归会耗尽线程栈并导致栈溢出。编译器有时会内联函数，或对满足条件的尾递归进行尾调用优化，减少额外栈帧；但不能依赖所有编译器和所有构建配置都会进行此优化。

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