C++ 面试高频题¶
AI Infra 岗位的面试里，C++ 通常以两种形式出现：基础知识的连续追问（对象模型、内存、并发），以及现场手写一个组件（智能指针、线程安全队列、内存池）。这里按主题整理了高频问题和答题要点，每题都链接到正文里展开讲解的位置；标 ★ 的是出现频率最高的。
怎么用
- 先只看问题，口头回答 2～3 分钟，再展开要点对照；
- 答题结构：是什么 → 为什么需要 → 怎么实现 / 怎么用 → 代价与坑。能说出"在推理系统里哪里用到"是加分项；
- 手写题见文末，大多在练习题里有可以本地判题的版本。
一、对象模型与语言基础¶
1. ★ 指针和引用有什么区别？
要点
引用必须初始化、不能重新绑定、没有"空引用"，语义上是对象的别名；指针是一个存地址的对象，可以为空、可以改指向、可以做算术。
现代 C++ 里：必定存在的参数用引用，"可能没有"的用指针或 std::optional；裸指针和引用都表示不拥有，拥有用智能指针。见智能指针与所有权。
2. ★ 虚函数是怎么实现的？为什么基类的析构函数要是虚的？
要点
每个有虚函数的类有一张虚函数表（vtable），每个对象里有一个指向它的指针（vptr）；调用虚函数时通过 vptr 查表间接跳转。代价：每个对象多一个指针、调用多一次间接跳转、通常不能内联。
通过基类指针 delete 派生类对象时，如果析构函数不是虚的，只会调用基类的析构函数，派生类的成员不会被析构（未定义行为，实际表现为资源泄漏）。
构造和析构函数里调用虚函数，调用的是当前正在构造 / 析构的那一层的版本，不会分派到派生类。
热路径上的多态用模板，粗粒度的用虚函数，见模板还是虚函数。
3. ★ 什么是 RAII？异常安全有哪几个等级？
要点
构造时获取资源、析构时释放，析构在正常返回、提前返回和异常时都会执行，所以资源不会泄漏。
异常安全的三个等级：基本保证（出异常后对象仍然有效、不泄漏）、强保证（出异常后状态回到调用之前，像事务一样，"拷贝再交换"是典型写法）、不抛出保证（noexcept，析构函数、移动操作、swap 应该做到）。见值语义与 RAII。
4. ★ 讲讲三法则 / 五法则 / 零法则。
要点
直接管理资源的类，如果需要自定义析构函数，几乎一定也要自定义或删除拷贝构造、拷贝赋值（三法则），C++11 起再加上移动构造、移动赋值（五法则）；否则默认的逐成员拷贝会让两个对象释放同一个资源。
零法则：让类不直接管理资源，把资源交给 vector、unique_ptr 这些 RAII 成员，一个特殊成员函数都不写。见零法则与五法则。
5. ★ std::move 做了什么？被移动的对象处于什么状态？
要点
std::move 只是把左值转换成右值引用，本身不移动任何东西；真正转移资源的是被选中的移动构造 / 移动赋值。被移动的对象"有效但未指定"，只能析构或重新赋值。
追问：移动构造为什么要 noexcept？——vector 扩容时只有移动不抛异常才用移动，否则退回到拷贝以保证强异常安全。见移动语义。
6. 左值、右值、转发引用分别是什么？std::forward 解决什么问题？
要点
有名字、能取地址的是左值；临时的是右值。模板参数的 T&& 是转发引用，传左值时推导成左值引用（引用折叠）。函数体内有名字的参数总是左值，std::forward<T>(x) 恢复调用者原来的值类别，这就是完美转发，emplace_back、make_unique 靠它实现。见完美转发。
7. const 有哪些用法？mutable 呢？
要点
const T*（指向常量的指针）、T* const（常量指针）、const 成员函数（不修改对象的可观察状态，this 是指向常量的指针）、const T& 参数（只读、可以绑定临时对象）。
mutable 成员可以在 const 成员函数里修改，用于缓存、互斥锁这类不影响可观察状态的成员（比如 const 的 getter 里要加锁，锁就是 mutable std::mutex）。
8. static 有哪几种含义？局部静态变量的初始化是线程安全的吗？
要点
全局 / 命名空间作用域：内部链接（只在本翻译单元可见）；类成员：属于类而不属于对象；函数内的局部变量：静态存储期，第一次执行到时初始化。
C++11 起局部静态变量的初始化是线程安全的（"magic statics"），常用来实现线程安全的单例。
头文件里的 static 变量会在每个翻译单元各有一份，见inline 与单一定义规则。
9. new / delete 和 malloc / free 有什么区别？placement new 是什么？
要点
new 分配内存并调用构造函数，失败时抛 std::bad_alloc，类型安全；malloc 只分配原始内存，失败返回空指针。两者不能混用。
placement new（new (ptr) T(args)）在已有的内存上构造对象，内存池、vector 内部、arena 都用它；对应地要手动调用析构函数 p->~T()。见分配器与内存池。
二、内存与未定义行为¶
10. ★ 说几种常见的未定义行为，以及怎么发现。
要点
越界访问、释放后使用、重复释放、容器扩容后使用旧的引用或迭代器、有符号整数溢出、违反严格别名（用 reinterpret_cast 读别的类型）、未对齐访问、未初始化读取、数据竞争。
UB 的危险在于编译器会假设它不发生并据此优化。发现手段：ASan（内存错误）、UBSan（溢出、对齐等）、TSan（数据竞争）、-D_GLIBCXX_ASSERTIONS、-Wall -Wextra。见编译模型与未定义行为。
11. ★ 结构体的大小怎么算？为什么有填充？
要点
每个成员放在自己对齐要求的整数倍地址上，成员之间补填充；结构体的对齐要求是成员中最大的，总大小补齐到它的整数倍。按对齐要求从大到小排字段可以减少填充。 追问"为什么要对齐"：未对齐的访问在某些平台上出错或变慢、不能用向量化指令；GPU 的 128 位加载要求 16 字节对齐。见对象布局。
12. ★ unique_ptr 和 shared_ptr 的区别？shared_ptr 是线程安全的吗？
要点
unique_ptr 独占、只能移动，默认删除器下零开销；shared_ptr 共享，有一个控制块存引用计数。
shared_ptr 的引用计数是原子的，多个线程各自拷贝、销毁自己的副本是安全的；但多个线程同时读写同一个 shared_ptr 变量不安全，指向的对象本身也不因此线程安全。
make_shared 把对象和控制块放在一次分配里，缺点是只要还有 weak_ptr，整块内存（包括对象的存储）就不能释放。循环引用用 weak_ptr 打破。见智能指针与所有权。
13. 怎样定位内存泄漏？
要点
开发阶段：ASan 自带的 LeakSanitizer，进程退出时报告泄漏的分配点；macOS 用 leaks。线上：heaptrack、jemalloc / tcmalloc 的堆分析，比较两个时间点的堆快照。
C++ 服务里"内存一直涨"更常见的原因往往不是泄漏，而是缓存没有上限、分配器不把内存还给系统（碎片）、或者 shared_ptr 的循环引用。
三、模板与标准库¶
14. 为什么模板的实现通常写在头文件里？模板对编译时间有什么影响？
要点
模板在被使用时才实例化，编译器必须看到完整定义；每个用到它的翻译单元都要实例化一遍（链接时去重）。组合爆炸会让编译时间和二进制都变大，控制手段：只实例化需要的组合、显式实例化、按需 JIT。见模板就是代码生成器。
15. SFINAE 和 concepts 是什么？
要点
SFINAE：模板参数代入失败不是错误，只是把这个候选从重载集合里去掉，老代码用 std::enable_if 实现"只对某些类型启用"。C++20 的 concepts 用 requires 直接写出对模板参数的要求，报错清楚、代码可读。见 concepts。
16. ★ vector 的扩容机制？哪些操作会让迭代器失效？
要点
容量不够时按倍数（libstdc++ 是 2 倍）分配新缓冲区，把元素移动（移动构造是 noexcept 时）或拷贝过去，push_back 均摊 O(1)。扩容会让所有指针、引用、迭代器失效；insert / erase 让插入 / 删除点之后的失效。reserve 避免扩容，clear 不释放容量。见vector。
17. unordered_map 是怎么实现的？和 map 怎么选？
要点
std::unordered_map 是链式哈希表，每个元素一个节点、一次分配；负载因子超过阈值时 rehash，迭代器失效但元素地址不变。map 是红黑树，有序，查找 O(log n)。
需要有序或范围查询用 map；只按键查找用 unordered_map，性能要求高时用开放寻址的扁平哈希表（Abseil flat_hash_map）。见关联容器。
18. std::string_view 有什么风险？
要点
它不拥有数据，只是指针加长度。绑定到临时 std::string 上会立刻悬垂；存进成员变量或容器里要保证被引用的数据活得更久。适合做函数参数，不适合做存储。见视图。
四、并发¶
19. ★ 数据竞争和竞态条件有什么区别？
要点
数据竞争：两个线程无同步地访问同一内存位置、至少一个是写——是未定义行为，TSan 能检测。竞态条件：结果依赖于执行时序，比如"检查后再行动"之间状态被别人改了——没有数据竞争也可能发生，只能靠设计（把检查和行动放进同一个临界区）。见线程与数据竞争。
20. ★ 条件变量怎么用？为什么 wait 要带谓词？
要点
持有 unique_lock 检查条件，不满足就 cv.wait(lock, pred)：原子地释放锁并睡眠，醒来后重新加锁并再次检查谓词。要带谓词是因为有虚假唤醒，以及醒来时条件可能已经被别的线程消费掉。通知方修改数据后 notify_one / notify_all；关闭队列时要 notify_all 让所有等待者退出。见条件变量与阻塞队列。
21. ★ 讲讲内存序。memory_order_relaxed 什么时候可以用？
要点
原子性只保证单个变量不被撕裂，内存序决定其他读写的可见顺序。release 写与读到它的 acquire 读配对，写方在 release 之前的所有写对读方可见——"先写数据、再发布标志"。
relaxed 只保证原子性，适合只关心最终值的计数器、统计量。拿不准就用默认的 seq_cst。见 atomic 与内存序。
22. 死锁的条件是什么？怎么避免？
要点
四个必要条件：互斥、持有并等待、不可抢占、循环等待。实践中主要破坏"循环等待"：固定全局的加锁顺序、用 std::scoped_lock 一次锁多把、持锁时不调用外部代码（回调、虚函数）；更根本的是减少共享，用消息传递。TSan 能检测锁顺序反转。见死锁。
23. 什么是伪共享？怎么避免？
要点
不同线程频繁写的不同变量落在同一个缓存行里，缓存一致性协议让这一行在核之间来回失效，性能下降一个数量级。按缓存行（64 字节，部分 ARM 是 128）用 alignas 隔开。见伪共享。
24. ★ 单生产者单消费者无锁队列怎么实现？
要点
环形数组，容量取 2 的幂；tail 只由生产者写、head 只由消费者写。生产者写元素后 release 更新 tail，消费者 acquire 读 tail 后读元素、再 release 更新 head。两端指针放在不同缓存行，各自缓存对方的指针减少跨核读取。见单生产者单消费者环形队列。
25. 什么是 ABA 问题？
要点
CAS 只比较值：线程读到 A，期间被改成 B 又改回 A，CAS 仍然成功，中间的变化被忽略。无锁栈里表现为同一地址的节点被释放后重新分配。解决：带版本号的 CAS、危险指针、基于 epoch 的回收。见 CAS 循环。
26. 设计一个线程池要考虑哪些问题？
要点
任务队列（锁 + 条件变量）、submit 返回 future（packaged_task 传递返回值和异常）、任务在锁外执行、优雅关闭（做完剩余任务还是丢弃）、成员析构顺序（工作线程最后声明、最先 join）。
坑：任务里等待同一个池的任务导致饥饿死锁、阻塞 I/O 占住线程、嵌套并行导致超额订阅、任务太小时调度开销占大头（切块或工作窃取）。见线程池。
五、系统、性能与互操作¶
27. ★ 从源码到可执行文件经过哪些步骤？静态库和动态库有什么区别？
要点
预处理（展开头文件和宏）→ 编译（每个翻译单元独立编译）→ 汇编（目标文件和符号表）→ 链接（把引用对上定义）。
静态库在链接时被拷贝进可执行文件；动态库在运行时加载，多个进程共享，可以单独升级，但有 ABI 兼容和符号冲突的问题。跨语言接口用 extern "C" 关掉名字修饰。见从源码到可执行文件。
28. ★ 为什么数组的结构体（SoA）有时比结构体的数组（AoS）快？
要点
CPU 按 64 字节缓存行读内存。只访问少数字段时，AoS 每个缓存行里大部分字节没用；SoA 读进来的都是有用的，还能向量化。反过来，每次都用一个对象的全部字段时 AoS 更好。GPU 的合并访存是同一个道理。见数组的结构体还是结构体的数组。
29. 怎样定位一个 C++ 服务的性能问题？
要点
先确认是 CPU、内存、I/O 还是锁等待；perf stat 看 IPC 和缓存未命中做分类，perf record -g + 火焰图定位热点函数；用 Release + 调试信息 + -fno-omit-frame-pointer 构建。卡住（CPU 为 0）时看所有线程的调用栈（gdb -p、py-spy dump --native）。见 CMake、sanitizer 与 perf。
30. ★ 设计一个 KV Cache 的块分配器。
要点
启动时按显存预算一次性分配，切成固定大小的块；空闲块号放在栈里，分配释放 O(1)、没有碎片；引用计数支持前缀共享和分叉，写之前对共享块做写时复制；"全部成功或全部不分配"的批量分配接口给调度器做准入控制；只在调度器线程访问，所以计数不用原子操作。见块分配器。
31. 用 pybind11 写扩展时，GIL 有哪些坑？
要点
长时间的纯 C++ 计算要释放 GIL（py::gil_scoped_release），释放后不能碰 Python 对象；C++ 线程回调 Python 前要拿 GIL；持有 C++ 锁时去拿 GIL、而持有 GIL 的线程又在等这把锁，就会死锁。另外 STL 容器的自动转换每次都拷贝，大数组用 numpy 的缓冲区。见 pybind11 与 PyTorch C++ 扩展。
六、手写题¶
面试里的 C++ 手写题通常在 20～40 分钟内完成，要求正确处理边界、能通过 sanitizer：
| 题目 | 考察点 | 参考 |
|---|---|---|
实现 unique_ptr（含自定义删除器） |
移动语义、RAII、五法则 | 智能指针 |
实现简化的 shared_ptr |
控制块、原子引用计数、拷贝与移动 | 智能指针 |
实现一个 String 类 |
深拷贝、拷贝再交换、移动 | 移动语义练习 1 |
| 线程安全的有界阻塞队列 | 锁、两个条件变量、关闭 | 线程练习 1 |
| 单生产者单消费者无锁队列 | acquire / release、伪共享 | 无锁队列 |
| 线程池 | packaged_task、future、关闭顺序 |
线程池 |
| 固定大小的内存池 / 块分配器 | 空闲列表、对齐、引用计数 | 分配器与内存池 |
| LRU 缓存 | 哈希表 + 链表、O(1) | 练习题 |
写完之后主动说明：复杂度、线程安全的边界（"这个类只能单线程用"也是一种回答）、异常安全等级，以及你会怎么测试它（sanitizer + 边界用例 + 并发压力测试）。
小结¶
- 对象模型：引用与指针、虚函数、RAII 与异常安全、五法则与零法则、移动与转发。
- 内存：常见 UB 与 sanitizer、对齐与布局、智能指针的线程安全边界。
- 模板与标准库：实例化与编译时间、concepts、容器的扩容与迭代器失效、视图的风险。
- 并发：数据竞争与竞态、条件变量、内存序、死锁、伪共享、无锁队列、线程池。
- 系统：编译链接、SoA、性能分析、KV 块分配器、GIL。手写题要能通过 sanitizer 并讲清楚边界。
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