C++陷阱系列：让面试官倒掉的题

http://blog.chinaunix.net/uid-22754909-id-3969535.html

今天和几位同仁一起探讨了一下C++的一些基础知识，在座的同仁都是行家了，有的多次当过C++技术面试官。不过我出的题过于刁钻: 不是看起来太难，而是看起来极其容易，但是其实非常难! 结果一圈下来，4道题，平均答对半题。于是只能安慰大家，这几道题，答不对是正常的。
    "你真的清楚构造函数,拷贝构造函数,operator=，析构函数都做了什么吗? 它们什么时候被调用?"，这些问题可不是面向初菜的问题，对于老鸟而言，甚至对于许多自诩为老手的人而言，倒在这上面也是很正常的。因为这个问题的答案不但考察我们对于C++语言的理解，而且答案是和编译器的实现有关的！
【第一题】以下代码,main函数中G.i的打印结果是什么? 写在一张纸上，再看答案。我不是在挑战大家的知识，我是在挑战很多人的常识。

点击(此处)折叠或打开

1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. class G
4. {
5. public:
6. static int i;
7. G() {cout<<"ctor"<<endl;i+=1;}
8. G(const G& rg){cout<<"copy ctor"<<endl;i+=2;}
9. G& operator=(const G& rg){cout<<__FUNCTION__<<endl;i+=3;return *this;}
10. };
11. int G::i=0;
12. G Create()
13. {
14. cout<<__FUNCTION__<<" starts"<<endl;
15. G obj;
16. cout<<__FUNCTION__<<" ends"<<endl;
17. return obj;
18. }
19. int main(int argc, char* argv[])
20. {
21. G g1=Create();
22. cout<<"G.i="<<G::i<<endl;
23. return 0;
24. }

"3,2,1,公布答案"。G.i是多少? 回答4及其以上的统统枪毙。回答3及其以下的留下继续讨论。注意，这里根本就没有调用到operator=，因为operator=被调用的前提是一个对象已经存在，我们再次给它赋值，调用的才是operator=。
   那么答案到底是多少呢? VC编译器，用2008或者2012，Debug版都是3，Release版都是1。用GCC4.7，Debug/Release都是1。
   为什么? 因为G g1=Create();这句话，可能会触发C++编译器的一个实现特性，叫做NRVO，命名返回值优化。也就是G函数中的obj并没有被创建在G的调用栈中，而是调用Create()函数的main的栈当中，因此obj不再是一个函数的返回变量，而是用g1给Create()返回的变量命名。
   VC的Debug版没有触发NRVO，因此会多调用一个拷贝构造函数，结果和Release版不一样----能说出这个的C++一定是中级以上水平了。
   这就带了一个问题，如果用VC编程的话，HouseKeep/计数的信息如果在ctor/copy ctor里面，那么不能保证调试版和发布版的行为一致。这个坑太大了。但是GCC没有这个问题！瞬间对理查德-斯托曼无比敬仰。

【第二题】以下程序的运行结果是什么:

点击(此处)折叠或打开

1. #include <vector>
2. #include <iostream>
3. using namespace std;
4. struct Noisy {
5. Noisy() {std::cout << "constructed\n"; }
6. Noisy(const Noisy&) { std::cout << "copied\n"; }
7. ~Noisy() {std::cout << "destructed\n"; }
8. };
9. std::vector<Noisy> f()
10. {
11. std::vector<Noisy> v = std::vector<Noisy>(2); // copy elision from temporary to v
12. return v; // NRVO from v to the nameless temporary that is returned
13. }
14. void fn_by_val(std::vector<Noisy> arg) // copied
15. {
16. std::cout << "arg.size() = " << arg.size() << '\n';
17. }
18. void main()
19. {
20. std::vector<Noisy> v = f(); // copy elision from returned temporary to v
21. cout<<"------------------before"<<endl;
22. fn_by_val(f());// and from temporary to the argument of fn_by_val()
23. cout<<"------------------after"<<endl;
24. }

第一轮没有被枪毙的同学注意了: 这道题目的答案仍然是和编译器有关的，而且和版本还有关系。
(2.1) VC2008 Debug版的运行结果

点击(此处)折叠或打开

1. constructed
2. copied
3. copied
4. destructed
5. copied
6. copied
7. destructed
8. destructed
9. ------------------before
10. constructed
11. copied
12. copied
13. destructed
14. copied
15. copied
16. destructed
17. destructed
18. arg.size() = 2
19. destructed
20. destructed
21. ------------------after
22. destructed
23. destructed
24. Press any key to continue . . .

看到了吗，在"------------before"之前，有一个奇怪的ctor, copy ctor, copy ctor, dtor的调用序列? 这是VC2008当中std::vector<Noisy>(2)做的事情: 先调用一个默认构造函数构造Noisy临时对象，然后把临时对象拷贝给vector的两个程序，再把临时对象析构掉。太傻了吧！Release版的结果稍微好一点，返回的vector不再被拷贝了，就如同第一题所说的:
(2.2) VC2008 Release版的运行结果

点击(此处)折叠或打开

1. constructed
2. copied
3. copied
4. destructed
5. ------------------before
6. constructed
7. copied
8. copied
9. destructed
10. arg.size() = 2
11. destructed
12. destructed
13. ------------------after
14. destructed
15. destructed
16. Press any key to continue . . .

换个编译器VC2012编译出来的，就聪明多了(Debug/Release运行结果相同):

点击(此处)折叠或打开

1. constructed
2. constructed
3. ------------------before
4. constructed
5. constructed
6. arg.size() = 2
7. destructed
8. destructed
9. ------------------after
10. destructed
11. destructed
12. Press any key to continue . . .

调用了两次ctorl来构造这个vector。性能提高多了。慢点，还有一点不同，因为函数fn_by_val的参数是传值而不是传引用，所以编译器知道在这个函数里面vector没有被修改，因此直接把传值优化成了传const&! VC2012的Debug/Release一致！终于赶上GCC了，不容易。
    问题：到底什么时候一个拷贝构造的操作可以被优化掉呢? C++标准还是有定义的，这个网页说的很清楚(http://en.cppreference.com/w/cpp/language/copy_elision)。其中的Notes一段话非常重要，我贴到这里:
    Notes
    Copy elision is the only allowed form of optimization that can change the observable side-effects. Because some compilers do not perform copy elision in every situation where it is allowed, programs that rely on the side-effects of copy/move constructors and destructors are not portable.
    Even when copy elision takes place and the copy-/move-constructor is not called, it must be present and accessible, otherwise the program is ill-formed.
   也就是说，编译器即使知道ctor/copy ctor/move ctor/dtor有副作用，也会考虑消除拷贝。当然，其他的编译器优化是不能消除副作用的。其他的Copy elision的情况有举例如下。
(2.3)临时变量不需要被copy:

点击(此处)折叠或打开

1. struct My {
2. My() {std::cout << "constructed\n"; }
3. My(const My&) { std::cout << "copied\n"; }
4. ~My() {std::cout << "destructed\n"; }
5. };
6. void f(My m){}
7. void main()
8. {
9. f(My());
10. }

运行结果是:

点击(此处)折叠或打开

1. constructed
2. destructed
3. Press any key to continue . . .

看起来，临时变量My()被优化成了一个const My&并传递了进去，当作了f的参数。
(2.4)再看一个throw的例子:

点击(此处)折叠或打开

1. struct My {
2. My() {std::cout << "constructed\n"; }
3. My(const My&) { std::cout << "copied\n"; }
4. ~My() {std::cout << "destructed\n"; }
5. };
6. void fm(){throw My();}
7. void main()
8. {
9. try{
10. cout<<"before throw"<<endl;
11. fm();
12. cout<<"after throw"<<endl;
13. }catch(My& m)
14. {}
15. }

这里的throw My()语句构造的My对象，优化后是构造在try的栈上面而非fm的栈上面，因此没有copy ctor的调用。
【第三题】以下程序的运行结果是什么?

点击(此处)折叠或打开

1. using namespace std;
2. struct C4
3. {
4. void f(){throw 1;}
5. ~C4(){throw 2;}
6. };
7. int main(size_t argc, char* argv[])
8. {
9. try
10. {
11. try
12. {
13. C4 obj;
14. obj.f();
15. }catch(int i)
16. {
17. cout<<i<<endl;
18. }
19. }catch(int i)
20. {
21. cout<<i<<endl;
22. }
23. return 0;
24. }

到底是打印1还是打印2还是两个都打印？不要翻书了，这个程序运行起来，什么都不打印，直接崩溃了。用VC2008/VC2012/GCC4.7的Debug/Release都验证过了。原因呢? 和C++编译器的异常传递链条的"实现"有关，展开来解释能有几十页。能答对这道题并说出原因的面试者应该是高级以上水平，可以直接录用，别的都不用看了。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
    以上几个题目真的会成为面试题吗? 基本不会，面试官能答上来的也寥寥。来个测试，
    填空: 用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码Release版:
      那么在main函数中,My的4个函数分别被调用了多少次?
        My::My()调用了___次
        My::My(const My&)调用了___次
        My& My::operator(const My&)调用了___次
        My::~My()调用了___次

点击(此处)折叠或打开

1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. class My{
4. public:
5. My() {cout<<"ctor"<<endl;}
6. My(const My&){cout<<"copy ctor"<<endl;}
7. My& operator=(const My&){
8. cout<<"operator="<<endl;
9. return *this;
10. }
11. ~My(){cout<<"dtor"<<endl;}
12. };
13. My f1(){
14. My obj;
15. return obj;
16. }
17. My f2(){return My();}
18. int main(void){
19. My obj1;
20. My obj2=obj1;
21. My obj3=f1();
22. My obj4=f2();
23. return 0;
24. }

答案是3,1,0,4。你答对了吗?
【第四题】下面这个指针的声明，const的意义是(A)指针指向的内容不能变，还是(B)指针本身不能变

点击(此处)折叠或打开

1. char const* p="abc";

非常不幸。一群人都选了(B)。用编译器调试，可以发现，p的声明被编译器改成了const char*。网上有很多人说，const修饰谁就看const离谁近，例如char* const q就是说明q本身不能变，const char* r就说明r指向的内容char*不能变。但是char const* p呢? 这个const到底修饰char还是*p? 实际上所谓"离谁近就修饰谁"这个说法不准确，只有const直接跟一个变量名，中间没有其他任何符号(除了空格)的时候，const才是修饰变量名本身的。
   OK，再看下面这两种声明，const修饰谁?

点击(此处)折叠或打开

1. const (char)* s="abc";
2. (char) const *t="abc";

不纠结，上面两行在VC/GCC下面都是编译不过的。
    好了，有了前面4道题的讨论基础，做个小测验：构造函数，用初始化列表和不用初始化列表有什么区别? 写出以下代码的输出：

点击(此处)折叠或打开

1. class My
2. {
3. public:
4. int i;
5. My(){i=22;}
6. virtual void f(){printf("f:%d\n",i);}
7. virtual void g(){printf("g:%d\n",++i);}
8. virtual void h(){printf("h\n");}
9. };
10. typedef void (__thiscall *pMy)(My*);
11. typedef pMy* VTable;
12. int main(int argc, char* argv[])
13. {
14. My pf;
15. VTable pVtable=*(VTable*)(&pf);
16. pVtable[0](&pf);
17. pVtable[1](&pf);
18. pVtable[2](&pf);
19. return 0;
20. }

考察的要点：初始化列表使用copy ctor，而不用初始化列表，就相当于ctor + operator=。我相信你已经答对了。

上回出了几道有挑战的题，当然那些不会真的做面试题的，让一大半人都挂的题目是没有出的必要的。C++是一个语言标准，不是一个实现标准，语言标准只规定了源代码长什么样合法，没有规定看到想到的和编译出来的东西就一定一样。例如，一个类有virtual关键字修饰的函数，那么就会有这个类就会有虚函数表吗? 不一定啊，因为C++标准压根就没有规定要如何实现虚函数！所谓的虚函数表只是一种流行的，实现虚函数的方式而已。
    C++是马，而某个具体的C++编译器实现是"白马"。白马非马也！有了上一篇文章的基础，我们继续讨论和构造/析构/赋值相关的话题。
【第一题】用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码Release版，输出多少?

点击(此处)折叠或打开

1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. static int i=0;
4. class My{
5. public:
6. My() {i+=1;}
7. My(const My&){i+=2;}
8. My& operator=(const My&){
9. i+=3;
10. return *this;
11. }
12. };
13. class Derived: public My
14. {
15. public:
16. Derived(){}
17. Derived(const Derived&d){}
18. };
19. int main(int argc, char* argv[])
20. {
21. Derived d;
22. Derived d2(d);
23. cout<<i<<endl;
24. return 0;
25. }

这题的关键是Derived d2(d)这句话，继承类的拷贝构造函数，会调用基类的哪个构造函数呢? 没有显示指定初始化列表，那就是调用基类的默认构造函数，因此本题的答案是2。
【第二题】用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码Release版，输出多少?

点击(此处)折叠或打开

1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. static int i=0;
4. class My{
5. public:
6. My() {f();}
7. virtual void f(){i+=1;}
8. };
9. class Derived: public My
10. {
11. public:
12. Derived(){}
13. virtual void f(){i+=2;}
14. };
15. int main(void)
16. {
17. My* pD=new Derived();
18. cout<<i<<endl;
19. delete pD;
20. return 0;
21. }

这道题的关键是，基类构造函数里面调用了一个虚函数f，那么实际是调的基类的f还是继承累的f呢？<>这本书的条款"Nevel call virtual functions during construction or destruction"有很好的说明，但是书上举例还是不够充分，解释的也不算清楚。因为：
    C++的"类"和"对象"只是语言级的概念，C++标准根本就没有规定编译的结果里面也存在对象，这样就能给编译器和优化器以无穷的空间----反过来说，我们不能假设对象真的有物理存在，因为构造函数有可能被内联，甚至release版连对象都优化得没有了，"多态"这个概念也是可以被编译器优化掉的。因此ctor/dtor要调用类内部的虚函数而根本把所谓多态置之脑后。
    所以，C++在ctor/dtor当中遇到虚函数调用的时候，直接当成非虚函数调用类内部的版本。这道题调用的是My::f()，输出是1。如果允许在基类构造期间调用继承类的函数，那么该函数需要访问继承类的成员例如指针，可此时继承类还没有构造，指针错误，崩溃了。
【第三题】用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码Release版，输出多少?【第二题】用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码Release版，输出多少?【第二题】用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码Release版，输出多少?【第三题】以下程序的运行结果是什么:

点击(此处)折叠或打开

1. class My
2. {
3. My* pSelf;
4. public:
5. My(){pSelf=this;}
6. ~My(){delete pSelf;}
7. };
8. int main(void)
9. {
10. My m;
11. return 0;
12. }

析构函数无限递归，堆栈溢出崩溃。
【第四题】以下代码有什么问题?
用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码，会有什么问题?用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码，会有什么问题?用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码，会有什么问题?用VC2008/VC2012/GCC4.7编译下面的代码，会有什么问题?

点击(此处)折叠或打开

1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. class My{
4. public:
5. virtual void f()=0;
6. void haha(){f();}
7. virtual ~My(){
8. cout<<__FUNCTION__<<endl;
9. f();
10. }
11. };
12. class You:public My{
13. public:
14. void f(){cout<<__FUNCTION__<<endl;}
15. ~You(){
16. cout<<__FUNCTION__<<endl;
17. haha();
18. }
19. };
20. int main(){
21. My *p=new You;
22. delete p;
23. return 0;
24. }

不要着急说，调用一个haha()调用一个不存在的虚函数导致空指针错误。因为上面的代码根本编译不过。因为编译器让析构函数~My()调用本累的f()，而本类的f()是纯虚的，没有实现体，因此提示undefined reference to 'My::f()'。把上面的代码改一改，就能编过了：

点击(此处)折叠或打开

1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. class My
4. {
5. public:
6. virtual void f() = 0;
7. void haha() { f(); }
8. virtual ~My(){
9. cout<<__FUNCTION__<<endl;
10. haha();
11. }
12. };
13. class You: public My
14. {
15. public:
16. void f(){cout<<__FUNCTION__<<endl;}
17. ~You(){
18. cout<<__FUNCTION__<<endl;
19. haha();
20. }
21. };
22. int main(int argc, char* argv[])
23. {
24. My* pm=new You();
25. delete pm;
26. return 0;
27. }

此时~My调用了一个非纯虚的函数haha，没有问题，而haha里面去调用f。运行到delete pm的时候，~My()->haha调用了My::f()，这是虚函数调用，指向一个纯虚(空指针)，因此崩溃(pure virtual function call)。如果我把My* pm=new You()改成You* py=new You()会让这个错误错误消失吗? 不会，因为析构函数先~You析构继承类的部分，然后进入~My。这个~My调用的时候，继承类的部分已经不存在了，因此此时虚函数的调用路径回到了基类，程序还是崩溃了。
-----------------------------------------------------------------
    虚拟机语言如C#/Java对象生命周期是GC全局管理，因此不存在这样的陷阱，多态的基类引用在ctor里面调用虚函数，是调进继承类。一下两段代码都是输出两个"Derived"。

点击(此处)折叠或打开

1. class Base
2. {
3. public Base() { f(); }
4. public virtual void f() { Console.WriteLine("Base"); }
5. }
6. class Derived : Base
7. {
8. public Derived() { f(); }
9. public override void f() { Console.WriteLine("Derived"); }
10. }
11. [STAThread]
12. static void Main(string[] args)
13. {
14. Base pb = new Derived();
15. }

点击(此处)折叠或打开

1. public class JavaApplication1 {
2. /**
3. * @param args the command line arguments
4. */
5. static public class Base
6. {
7. public Base() { f(); }
8. public void f() { System.out.println("Base"); }
9. }
10. static public class Derived extends Base
11. {
12. public Derived() { f(); }
13. public void f() { System.out.println("Derived"); }
14. }
15. public static void main(String[] args) {
16. // TODO code application logic here
17. JavaApplication1.Base pb = new JavaApplication1.Derived();
18. }
19. }