【嵌入式八股4】C++：引用、模板、哈希表与 I/O

news2025/4/19 8:26:12

1. 左值引用与右值引用

左值与右值的定义

左值：指那些可以在表达式后取得地址的对象。换句话说，左值代表一个可以出现在赋值号（=）左边的值，也可以被修改。例如，变量、数组元素、以及通过引用或指针访问的对象都属于左值。

例如：int a = 10; 其中 a 是左值。
右值：指那些无法在表达式后取得地址的临时对象或字面量。右值代表一个临时值，它只能出现在赋值号的右边，不能直接修改。常见的右值包括数字常量、字符串常量、临时变量、以及通过表达式返回的临时对象。

例如：int a = 10; 其中 10 是右值。

右值引用与 C++11

C++11引入了右值引用的概念，使用 && 来表示右值引用，允许程序员更方便地操作右值并实现移动语义和完美转发。

int&& r = 42; // 创建一个右值引用

2. 移动语义与完美转发

移动语义

std::move 是一个函数模板，它将给定的对象转换为右值，通常用于表示移动而非复制对象的所有权。通过 std::move，我们可以避免昂贵的对象复制操作，从而提高程序的性能。

int main() {
    std::vector<int> source = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用std::move将source的所有权转移到destination
    std::vector<int> destination = std::move(source);

    // source现在为空，已经移动到destination
    std::cout << "Size of source: " << source.size() << std::endl; // 输出 0
    std::cout << "Size of destination: " << destination.size() << std::endl; // 输出 5

    return 0;
}

完美转发

std::forward 是另一个函数模板，主要用于在函数参数转发时保持其原始类型。与 std::move 类似，但 std::forward 可以根据传入的参数类型（左值或右值）自动转发。

在模板函数中，std::forward 使得我们能够精确地转发参数，保持参数的类型和生命周期，从而避免不必要的拷贝操作。

// 接受右值引用的函数
void processValue(int&& x) {
    std::cout << "Processing rvalue: " << x << std::endl;
}

// 使用std::forward转发参数
template<typename T>
void forwardFunction(T&& arg) {
    processValue(std::forward<T>(arg)); // 完美转发
}

int main() {
    int value = 42;

    // 传递左值
    forwardFunction(value);

    // 传递右值
    forwardFunction(std::move(value));

    return 0;
}

`std::forward` 的优势

避免多余的拷贝：对于左值，std::forward 保证其以左值引用传递，避免拷贝；而对于右值，std::forward 则会触发移动操作。
精确匹配重载函数：std::forward 可以帮助我们精确地选择左值或右值版本的重载函数。
消除重载冗余：通过引用折叠规则，std::forward 可以减少代码冗余，避免为左值和右值分别定义不同的重载。

总结来说，std::forward 可以帮助我们高效地转发函数参数，减少不必要的拷贝和创建冗余的重载。

3. 模板类

模板类是C++中的一个强大特性，允许我们创建类型安全且灵活的类。

模板类的定义和使用

// XX.h
template <typename T>
class MyTemplateClass {
private:
    T data;
public:
    MyTemplateClass(T value) : data(value) {}  // 构造函数

    void printData() const {
        std::cout << "Data: " << data << std::endl;  // 模板类方法
    }
};

// XX.cpp
MyTemplateClass<int> obj1(10);  // 实例化为处理int类型的对象
MyTemplateClass<double> obj2(3.14);  // 实例化为处理double类型的对象

obj1.printData();  // 输出: Data: 10
obj2.printData();  // 输出: Data: 3.14

为什么模板类通常放在头文件中

模板类的实例化发生在编译阶段，因此编译器需要访问模板类的完整定义才能为特定类型生成代码。如果将模板定义和实现分开，编译器将无法实例化模板类，因此模板通常需要放在头文件中。这样做可以确保每个使用模板的翻译单元都能够获得模板的完整定义。

4. 哈希表

哈希表（Hash Table）是一种常用的数据结构，提供了常数时间复杂度的查找、插入和删除操作。它通过哈希函数将键值映射到哈希表中的位置。

哈希碰撞

哈希碰撞是指不同的键通过哈希函数计算得到相同的哈希值。为了解决哈希碰撞，通常有以下几种方法：

链地址法：每个哈希表位置存储一个链表，用于存放所有具有相同哈希值的元素。
线性探测法：发生碰撞时，顺序查找下一个空槽并插入元素。
再哈希法：使用不同的哈希函数计算新的哈希值，从而减少冲突。
公共溢出区法：将发生碰撞的元素存入另一个溢出区域。

哈希操作

查找：通过计算键的哈希值，直接定位哈希表中的位置。若有碰撞，则进一步比较键值来判断是否匹配。
插入：计算键的哈希值并找到对应位置。如果该位置已有元素（碰撞），则根据解决冲突的策略进行处理。
删除：删除某个键值对时，通过哈希值找到对应位置并删除。如果该位置发生了冲突，可能需要对链表或探测序列进行调整。

当两个对象映射到同一个哈希地址时，是否说明这两个对象相同

当两个对象产生哈希冲突时，它们被映射到了相同的哈希地址上，但并不能确定它们的内容是否相同。两个不同的对象完全可以具有相同的哈希值，因为哈希值只是一个对输入对象进行计算得出的结果。

要确定两个对象是否相同，通常需要使用其他方法，如比较它们的内容、引用或标识符等。哈希地址相同并不代表对象相同，只能说它们在哈希函数中产生了冲突。

哈希表如何解决键值冲突

哈希表（散列表）根据(Key value)直接进行访问的数据结构。映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。

哈希值是通过哈希函数计算出来的，通过哈希函数计算出来的哈希值相同，就是哈希冲突，不能完全避免

解决方案：

开放定址法：发现冲突后寻找下一个空闲散列表位置
再哈希法：利用不同的哈希函数再次计算哈希值（多轮）
链地址法：每个哈希表节点都有一个next指针，多个哈希表节点可以用next指针构成一个单向链表，被分配到同一个索引上的多个节点可以用这个单向链表连接起来，因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。
公共溢出区法：冲突放入溢出表