C++基础

编译过程

预处理

在这一步，编译器会对所有的#define宏定义，#include文件包含，#ifdef条件编译等预处理指令进行处理。预处理器会将所有#define定义的符号替换为对应的内容，这样在接下来的编译阶段，代码中原来出现的宏符号就会被替换成具体的值或表达式。

编译

预处理后的代码会被翻译成汇编代码。在这个阶段，编译器将处理变量类型、表达式计算、语法结构等内容。

汇编

编译生成的汇编代码会被转为目标机器的二进制代码，即生成目标文件（通常是.obj或.0文件）。

链接

最后编译器会把多个目标文件以及所需的库文件链接在一起，生成最终的可执行文件。

内存区块

代码区
代码区存储程序的机器指令，即源代码编译后生成的可执行代码。这个区域通常是只读的，以防止程序在运行期间修改自身的指令，避免潜在的错误和安全问题。

数据区

数据区分为静态数据区和全局数据区，用来存储程序中定义的全局变量和静态变量。数据区通常在程序开始时被分配，并在程序结束时被释放。

  • BSS段（未初始化数据段）：用来存储未初始化的全局变量和静态变量，系统会自动将这些变量初始化为0。

  • Data段（已初始化数据段）：用来存储已初始化的全局变量和静态变量，系统会按定义的值进行初始化。

堆区

堆区用于动态分配内存。程序在运行时可以通过new、malloc等动态分配堆内存，通过delete、free等释放。堆区的内存分配和释放由程序员手动管理，如果不及时释放内存，会导致内存泄漏。

栈区

栈区用于存储局部变量、函数参数和返回地址等信息。每当一个函数被调用时，系统会在栈上为这个函数分配一块内存，函数调用结束后自动释放。栈区的内存分配和释放由系统自动管理，但栈区的大小有限，递归调用过深或局部变量过大可能导致栈溢出。

常量区

常量区存储常量字符串和其他常量数据。常量区的内容通常为只读，且在程序的整个生命周期内保持不变，防止对常量的修改。

关键字

#define

将标识符定义为宏，也就是常说的宏定义，告诉编译器将之后出现的所有标识符替换为替换列表。一般分为两种，对象式宏和函数式宏。

  • 对象式宏
    对象式宏以替换列表替换每次出现的被定义标识符。

  • 函数式宏
    函数式宏以替换列表替换每次出现的被定义标识符，可选地接受一定量的实参，它们随即替换掉替换列表中出现的任何对应的形参。

函数式宏语法类似函数调用语法：每个宏名实例后随一个 ( 作为下个预处理记号，所引入的记号序列将被替换为替换列表。该序列以匹配的 ) 记号终止，跳过中间的匹配左右括号对。

#override 和 final

override：用于标记派生类中的重写函数。如果函数没有成功重写基类的虚函数，编译器会给出错误提示。这样可以避免因函数签名不匹配而导致的意外错误。

final：用于标记不允许派生类再重写的虚函数。这样可以锁定该函数，防止进一步的重写。

继承

继承是一种让一个类（派生类）获得另一个类（基类）属性和方法的机制。通过继承，可以在不重复编写代码的情况下复用已有的类。继承的类型主要有三种：

  • 公共继承（public inheritance）：基类的公有成员和保护成员在派生类中保持公有和保护状态，派生类可以访问这些成员，其他外部类也可以访问公有成员。

  • 保护继承（protected inheritance）：基类的公有和保护成员在派生类中都变为保护成员，派生类可以访问这些成员，但外部类无法访问。

  • 私有继承（private inheritance）：基类的公有和保护成员在派生类中都变为私有成员，派生类可以访问这些成员，但外部类无法访问。

多态

多态允许一个指针或引用在不同上下文中表现出不同的行为。C++中最常用的多态机制是通过 虚函数 实现的 运行时多态，即动态多态。多态主要依赖以下两个特性：

  • 函数重载（Overloading）：同一个作用域中多个函数可以具有相同名称，但参数列表不同，这就是重载。

  • 虚函数和重写（Virtual Functions and Overriding）：通过基类指针或引用调用派生类的实现。定义一个基类函数为虚函数（virtual），在派生类中重新定义它。

静态多态（Static Polymorphism）指的是在 编译时 决定函数的调用方式，而不是在运行时。静态多态通常通过 模板 和 函数重载 实现，而不像动态多态那样依赖虚函数。由于静态多态是在编译时确定的，代码执行速度通常比动态多态更快，但灵活性较低。

虚函数和虚函数表

在C++中，将基类中的一个函数声明为virtual，使得该函数成为虚函数。派生类可以重写这个虚函数，从而定义自己独特的行为。访问虚函数的常用方式是通过基类指针或引用，这样可以在运行时动态绑定到正确的派生类函数实现上。

虚函数表（Virtual Table）:

  • 虚函数的实现依赖于 虚函数表（vtable）和 虚函数表指针（vptr）。每个含有虚函数的类通常会创建一张虚函数表，其中记录了该类的虚函数地址。每个包含虚函数的对象实例都有一个vptr，指向这个虚函数表。

虚函数调用的具体流程是：

  • 编译器生成一个虚函数表，记录所有虚函数的地址。
    每个包含虚函数的类对象都持有一个vptr指针，指向该对象的虚函数表。
    当通过基类指针调用虚函数时，程序会通过vptr查找虚函数表中的地址，并调用相应的函数。
    因此，通过虚函数实现的多态性是 运行时多态，即函数的实际调用在运行时被动态决定。

虚函数表存储在常量区，虚函数存储在代码区

当一个虚函数在基类中没有实现时，可以将其声明为纯虚函数，即在函数声明后加上= 0。含有纯虚函数的类称为 抽象类，不能直接实例化。抽象类通常用作接口，以便派生类实现不同的具体行为。

STL容器库

新特性

编程技巧

CRTP (Curiously Recurring Template Pattern)

最近在学习一个项目的时候，用到了这个叫奇异递归模板模式的技巧，经过查阅学习，这是一个实现静态多态的C++模板编程技巧。它的基本做法是将派生类作为模板参数传递给它的基类：

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template <class Derived>
struct Base
{
    void name() { (static_cast<Derived*>(this))->impl(); }
protected:
    Base() = default; // 禁止创建 Base 对象，这是 UB
};
struct D1 : public Base<D1> { void impl() { std::puts("D1::impl()"); } };
struct D2 : public Base<D2> { void impl() { std::puts("D2::impl()"); } };
 
#else // C++23 的推导 this 语法
 
struct Base { void name(this auto&& self) { self.impl(); } };
struct D1 : public Base { void impl() { std::puts("D1::impl()"); } };
struct D2 : public Base { void impl() { std::puts("D2::impl()"); } };
 
#endif
 
int main()
{
    D1 d1; d1.name();
    D2 d2; d2.name();
}

此处引用cppreference中的示例片段，其中基类Base是一个模板类，派生类Derived继承自基类，继承的同时派生类把自己作为模板参数传递给了基类。基类通过公开接口，派生类内实现接口来实现静态多态。可以看到基类中使用static_cast将基类Base转换为传递过来的派生类Derived，然后调用该派生类中的方法。

至于c++23中引入的推导this语法，我暂时还没有了解过，以后了解后再来补充。

那么为什么要使用这个技巧呢，由于它是静态多态，那么在编译期绑定行为，避免了虚函数表的开销。其次基类定义通用逻辑，派生类专注于具体实现，使得代码的复用性提高。