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C++内存管理与编译链接

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1. 内存模型
*问题类型：

• C++ 内存分区（栈、堆、全局/静态存储区、常量存储区、代码区）？

  分区	存储内容	生命周期	特点
  栈 (Stack)	局部变量、函数参数、返回值	函数结束自动释放	自动管理，快速高效
  堆 (Heap)	动态分配的内存（new/malloc）	手动释放（delete/free）	大容量，分配慢，需手动管理
  全局/静态存储区	全局变量、静态变量（static）	程序启动分配，结束释放	初始化为零
  常量存储区	字符串常量、const 全局变量	程序运行期间	只读，修改导致段错误
  代码区	程序指令（二进制机器码）	程序运行期间

• 栈和堆的区别？

  特性	栈	堆
  管理方式	编译器自动管理	程序员手动管理
  分配速度	极快（移动栈指针）	较慢（搜索可用内存块）
  空间大小	较小（默认 MB 级）	较大（接近系统内存上限）
  内存碎片	无	可能产生碎片
  访问安全	自动边界检查（部分系统）	无保护（易越界）

• 内存泄漏（Memory Leak）是什么？如何检测和避免？

  • 定义：已分配的堆内存无法被访问且未释放

  • 检测方法：

    • 工具：Valgrind、AddressSanitizer、智能指针计数
    • 日志：重载 new/delete 记录分配点

  • 避免措施：

    cpp// 使用智能指针（C++11+）
    auto ptr = std::make_unique<MyClass>();  // 自动释放// RAII 原则
    class ResourceHolder {Resource* res;
    public:ResourceHolder() : res(new Resource) {}~ResourceHolder() { delete res; }    // 析构时释放
    };
    

• 野指针、悬空指针、空指针的区别？

  类型	定义	示例	风险
  野指针	未初始化的指针（随机地址）	int* p; *p = 10;	崩溃/数据损坏
  悬空指针	指向已释放内存的指针	int* p = new int; delete p; *p = 20;	未定义行为
  空指针	显式指向 nullptr 的指针	int* p = nullptr;	安全（可检测）

• new/delete和malloc/free的区别？

  特性	new/delete	malloc/free
  语言	C++ 运算符	C 库函数
  构造/析构	调用构造函数/析构函数	仅分配/释放内存
  类型安全	返回具体类型指针	返回 void*（需强转）
  内存大小	自动计算（new T）	手动指定字节数（sizeof）
  失败处理	抛出 std::bad_alloc	返回 NULL
  重载	支持运算符重载	不可重载

• new T[]和delete[] T的匹配使用原因？

  • 内存布局差异：

    MyClass* arr = new MyClass[3];
    // 实际内存布局：
    // [元素数量] [对象0] [对象1] [对象2]
    // ^          ^
    // |         返回给用户的指针
    

  • 不匹配的后果：

    • 使用 delete 而非 delete[]：
      • 仅调用第一个元素的析构函数
      • 错误的内存释放方式（可能少释放前缀计数区）
    • 结果：内存泄漏 + 未定义行为（UB）

2. 编译与链接
*问题类型：

• C++程序的编译链接过程（预处理、编译、汇编、链接）？

  阶段	输入	输出	核心操作	工具
  预处理	.cpp 源文件	.i 预处理文件	宏展开、头文件包含、条件编译	cpp / gcc -E
  编译	.i 文件	.s 汇编文件	语法分析、语义检查、生成平台相关汇编代码	gcc -S
  汇编	.s 汇编文件	.o 目标文件	汇编指令 → 机器码（二进制）	as
  链接	多个 .o 文件	可执行文件	符号解析、地址重定位、库合并	ld

  示例流程：

  g++ -E main.cpp -o main.i    # 预处理
  g++ -S main.i -o main.s      # 编译
  g++ -c main.s -o main.o      # 汇编
  g++ main.o utils.o -o app    # 链接
  

• 什么是符号表？

  • 定义：目标文件（.o）中记录全局符号信息的结构

  • 关键内容：

    • 导出符号：当前模块定义的全局函数/变量（供其他模块使用）
    • 未解决符号：当前模块引用但未定义的函数/变量（需链接时解析）

  • 查看工具：

    nm main.o      # 查看符号表
    objdump -t lib.a  # 静态库符号分析
    

• 动态库（DLL/SO）和静态库（LIB/A）的区别、优点和使用场景？

  特性	静态库（.lib/.a）	动态库（.dll/.so）
  链接时机	编译时链接到可执行文件	运行时由系统加载
  文件组成	目标文件（.o）集合	已链接的共享目标文件
  内存占用	每个进程独立副本（内存浪费）	内存中仅一份副本（多进程共享）
  更新部署	需重新编译整个程序	替换库文件即可（ABI 兼容前提下）
  加载速度	启动快（无运行时加载开销）	启动稍慢（需加载库）
  使用场景	小型程序；无依赖环境；嵌入式系统	大型应用；插件系统；公共库

  创建示例：

  # 静态库
  ar rcs libutils.a utils.o# 动态库（Linux）
  g++ -shared -fPIC -o libutils.so utils.cpp
  

• extern "C"的作用？

  • 核心功能：禁用 C++ 的名称修饰（Name Mangling），实现 C 语言兼容

  • 使用场景：

    • C++ 调用 C 库函数
    • C 调用 C++ 函数（需反向包装）

  • 示例：

    // C++ 代码中声明 C 函数
    extern "C" {void c_library_function(int param);  // 按 C 规则编译
    }
    

    名称修饰对比：

    • C++ 修饰后：_Z6funcv（含参数类型信息）
    • C 修饰后：func（简单函数名）

• 单一定义规则（ODR）是什么？

  • 核心原则：

    1. 变量/函数：全局范围内最多只能有一个定义
    2. 类/模板：可在多个编译单元定义，但必须完全一致

  • 违规示例：

    // file1.cpp
    int global_var = 10;  // 定义// file2.cpp
    int global_var = 20;  // 重复定义 → 链接错误
    

  • 正确实践：

    // header.h
    extern int global_var;  // 声明（非定义）// file1.cpp
    int global_var = 10;    // 唯一定义// file2.cpp
    #include "header.h"
    void use_var() { std::cout << global_var; }  // 正确使用
    

  ODR 例外：

  • 内联函数/变量（C++17）：允许多处定义（需完全相同）
  • 模板：实例化时生成唯一定义