八股笔记

Appearance

面向对象与多态 ​

struct 与 class ​

在 C++ 中二者都可以拥有数据成员、成员函数、构造/析构函数、模板、继承和访问控制。关键默认值不同：

特性structclass
成员默认访问权限publicprivate
默认继承方式publicprivate

工程上常用 struct 表示公开、轻量的数据聚合，用 class 表示要隐藏不变量和提供行为的抽象；这只是约定，不是语言强制。

面向对象三大特性 ​

  1. 封装：把数据与操作封装在类型中，隐藏实现细节，通过受控接口维护不变量；
  2. 继承：派生类复用/扩展基类接口和实现，表达“is-a”关系；不应只为代码复用而滥用；
  3. 多态：同一接口可按对象实际类型表现不同，实现可扩展替换。

封装是维护不变量的基础；继承只是复用与扩展的一种手段；多态也可以由模板或 std::variant 等机制实现，并不等于“必须有继承”。

重载、重写与隐藏 ​

  • 重载（overload）：同一作用域内同名函数，参数列表不同；编译器在编译期选择调用目标。仅返回类型不同不能构成重载。
  • 重写（override）：派生类以兼容签名实现基类的 virtual 函数，运行期通过基类指针/引用分派。应总是写 override，让编译器检查。
  • 名称隐藏（name hiding）：派生类声明同名函数会隐藏基类所有同名重载，即使参数不同，也与其余重载是否为 virtual 无关；可使用 using Base::func; 恢复重载集合。
cpp
class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

class Circle final : public Shape {
public:
    explicit Circle(double r) : r_(r) {}
    double area() const override { return 3.14159 * r_ * r_; }
private:
    double r_;
};

混合虚/非虚重载：隐藏发生在虚分派之前 ​

同名重载中的每个签名彼此独立：想让哪个签名参与动态分派，就必须将对应的基类函数分别声明为 virtual。但派生类声明任意一个同名函数后，名称隐藏先于重载决议和虚分派发生，因此其余基类同名函数（包括非虚函数）都会先从派生类对象的候选集合中消失：

cpp
struct Base {
    virtual void handle(int value); // 此签名可动态分派
    void handle(double value);      // 非虚函数
    void handle(const char* text);  // 非虚函数
};

struct Derived : Base {
    void handle(int value) override; // 声明同名函数，隐藏 Base 的整个 handle 集合
};

Derived derived;

derived.handle(42);     // Derived::handle(int)
derived.handle(3.14);   // 不是 Base::handle(double)，而是转换后调用 Derived::handle(int)
// derived.handle("ok"); // 错误：Base::handle(const char*) 已被隐藏，Derived 中无可用候选

这也是为什么隐藏比“直接编译报错”更危险：数值类型有时仍可转换到派生类保留下来的重载，代码能编译却调用了非预期函数。若派生类希望覆盖其中一个签名，同时保留基类其余重载，应显式引入整个基类重载集合：

cpp
struct Derived : Base {
    using Base::handle;
    void handle(int value) override;
};

Derived derived;
derived.handle(42);     // Derived::handle(int)
derived.handle(3.14);   // Base::handle(double)
derived.handle("ok");  // Base::handle(const char*)

通过基类引用或指针调用时，名称查找和重载决议则由**静态类型 Base**完成；只有选中的签名本身是虚函数，才会在下一步按动态类型分派：

cpp
Derived derived;
Base& base = derived;

base.handle(42);     // 选中 Base::handle(int)，虚分派到 Derived::handle(int)
base.handle(3.14);   // 选中 Base::handle(double)，非虚，调用 Base 版本
base.handle("ok");  // 选中 Base::handle(const char*)，非虚，调用 Base 版本

结论：using Base::handle; 只恢复名称查找中的重载集合，不会把非虚函数变成虚函数；若 int、double 等多个签名都需要动态分派，应在基类中把每个对应重载分别标记 virtual，并在派生类对实际覆盖的每个版本写 override。

静态与动态多态 ​

  • 静态（编译期）多态：函数/运算符重载、模板、CRTP 等，调用目标编译期确定，容易内联，通常零运行期开销。
  • 动态（运行期）多态：虚函数、接口/抽象基类；通过基类指针或引用，在运行期依对象动态类型分派。

虚函数、纯虚函数与虚表 ​

  • 虚函数可以有默认实现，派生类可选择是否重写；
  • 纯虚函数写作 virtual void f() = 0;，使类成为抽象类，不能直接实例化；普通纯虚函数也可以在类外提供定义，但派生类若要变为具体类仍须完成覆盖；
  • 抽象基类应有虚析构函数，保证经基类指针销毁派生对象时析构链完整。

纯虚声明和函数定义是两件事。尤其是纯虚析构函数必须提供定义：销毁具体派生对象时，析构链最终仍会调用基类析构函数。普通纯虚函数也可以有默认公共实现；这不会消除纯虚属性，基类仍是抽象类，具体派生类仍需覆盖该函数：

cpp
struct Renderer {
    virtual ~Renderer() = 0; // 纯虚声明：Renderer 仍是抽象类
    virtual void prepare() = 0;
};

Renderer::~Renderer() = default; // 必须有定义
void Renderer::prepare() { /* 可复用的公共准备逻辑 */ }

struct OpenGLRenderer : Renderer {
    ~OpenGLRenderer() override = default;
    void prepare() override {
        Renderer::prepare(); // 可显式复用纯虚函数的定义
        // OpenGL 专有逻辑
    }
};

抽象类不能按值创建、传参或返回，也不能作为普通成员、数组或 std::vector<Abstract> 的元素；但它正适合作为多态接口的引用、指针和智能指针类型：

cpp
struct Shape {
    virtual double area() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

void print_area(const Shape& shape);        // 合法：绑定具体派生对象
Shape& current_shape();                      // 合法：调用方不拥有对象
std::unique_ptr<Shape> create_shape();       // 合法：返回多态对象所有权

// void print(Shape shape);                  // 错误：按值参数需要构造抽象类对象
// Shape make_shape();                       // 错误：按值返回需要构造抽象类对象

大多数 C++ ABI 会用隐藏的 vptr 指向虚函数表（vtable）实现动态分派：表中存放对应虚函数的入口，派生类覆盖后使用自己的入口。这是主流实现方式，不是 C++ 标准规定的对象布局；多重继承、虚继承时布局和调整更复杂。

图只表达动态分派的逻辑路径；vptr 是否存在、位置、虚表格式和函数入口数量均由编译器 ABI 决定。

动态分派有一次间接调用和潜在优化限制的成本，通常很小，但不应在极端热点中不经评估地滥用。

构造函数与析构函数 ​

构造函数 ​

构造函数在对象创建时初始化基类和成员，名称与类相同、没有返回类型。常见形式：

  • 默认构造函数；
  • 带参构造函数；
  • 拷贝构造函数；
  • 移动构造函数；
  • 委托构造函数；
  • initializer_list 构造函数；
  • explicit 转换构造函数（避免不期望的隐式转换）；
  • constexpr 构造函数（允许满足条件时常量求值）。

“初始化列表构造函数”“常量构造函数”不是与上述并列的标准构造函数分类。成员应优先在成员初始化列表中初始化，尤其是 const 成员、引用成员和无默认构造函数的成员。

构造函数能否使用虚函数？ ​

构造函数本身不能声明为虚函数。 构造函数的职责正是创建指定类型的对象，调用哪一个构造函数必须在编译期由 new Derived、局部变量声明等方式确定，因此没有“通过基类接口按实际对象类型动态分派构造函数”的语义。也不要把原因简单归结为“对象还没有内存”或“还没有虚表”：对象存储会先被取得，而 vptr/vtable 是常见 ABI 实现细节，不是语言标准保证。

构造函数内部可以在语法上调用虚函数，但要非常谨慎。 在基类构造函数执行期间，派生类子对象尚未构造完成；为了避免访问未初始化的派生状态，虚调用只会分派到当前正在构造的类的最终覆盖版本，而不会调用更派生类的覆盖：

cpp
#include <iostream>

class Base {
public:
    Base() { describe(); } // 输出 Base，而非 Derived
    virtual void describe() const { std::cout << "Base\\n"; }
    virtual ~Base() = default;
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived() : name_("ready") {}
    void describe() const override { std::cout << name_ << "\\n"; }
private:
    std::string name_;
};

// 构造 Derived 时，先执行 Base()，此时 name_ 尚未初始化，
// 因此 Base() 中的 describe() 调用 Base::describe()。

在 Derived 自己的构造函数体中调用该虚函数时，会分派到 Derived 的实现，但若它还有更派生类，仍不会分派到更派生类。即便如此，也应确保函数只依赖已经初始化的状态；工程上通常避免在构造函数中调用可被重写的虚函数，改用私有/非虚初始化辅助函数，或在对象完整构造后由工厂/显式初始化步骤调用扩展钩子。

若在构造或析构过程中调用纯虚函数，且该调用会落到纯虚函数作为最终覆盖版本，行为未定义（许多运行库会报 pure virtual method called）。因此不要让构造/析构路径依赖纯虚函数。

析构过程规则相反但原因相同：派生类已先析构，基类析构函数中的虚调用只分派到基类版本，不能依赖派生类资源。

析构函数 ​

析构函数写作 ~ClassName()，对象结束生命周期时执行清理。它可以且经常应在多态基类中声明为 virtual。若基类析构非虚，却经由 Base* 删除 Derived 对象，行为未定义，派生资源可能无法正确释放。

构造阶段的虚调用不会越过“当前正在构造的类”分派到尚未构造完成的派生部分；析构阶段则不会分派到已经销毁的派生部分。

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