C++世界观

前言

手写AI推出的全新面向AI算法的C++课程 Algo C++，链接。记录下个人学习笔记，仅供自己参考。

本次课程主要讲解 C++ 世界观

课程大纲可看下面的思维导图

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1. 程序逻辑

在操作系统层面上，可以有多个程序进程，而每个进程又是由一个主线程和多个子线程组成，值得注意的是：

进程是静态的是上下文，线程是动态的，用来执行具体代码
每个进行必有主线程，主线程结束，则进程停止，子线程可以创建多个
每个进程都有属于它的堆内存，进程内所有线程共用，但与其它进程是隔离的

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2. 内存的逻辑

之前提到过每个进程都有属于它的堆内存，而每个线程又有属于它的栈内存，我们主要关注栈和堆内存。C++ 是强调内存的语言，你需要知道你的变量在哪里，进而生命周期是如何定义的，值得注意的是：

每个进程都有属于它的堆内存，进程内所有线程共用，但与其它进程是隔离的
每个线程都有属于自己的栈内存，用来储存当前执行位置的函数调用入参、局部变量
之所以叫栈内存，因为采用的是栈的数据结构来表示函数的调用入参
堆内存很大，基本接近内存条大小，栈内存很小，一般4MB。stackoverflow 就是递归超过栈空间时的异常
比如 char a[100] 开辟的就是堆内存空间，而 new a[100] 开辟的就是栈内存空间

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3. 调度的逻辑

CPU 可以形象化为一个工人，不考虑多核，它就是个一次执行一个任务的工人。它只能串行执行任务，但是它的速度特别特别快，一秒数亿次计算。现实生活中，我们需要大量并行的场景，比如播放音乐的同时打游戏，那串行的 CPU 如何来解决并行的问题呢？因此引入线程调度的概念

想象下这样一个场景，假如你是一名厨师，现在有三个餐桌等着你上菜，你应该如何上菜保证让客户都满意？

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我会采用每个桌子各出一个菜的方式，使得大家觉得出餐是并行的，营造一种厨房里有三个厨师的假象，其实只有你一个，只不过你有点强，同时炒了三个锅的菜，来回切换，只是你切换的时间非常快，让人毫无察觉😂

在炒菜的同时厨师还需要为每个餐桌记住状态(如已经上了几个菜了，都上了些啥菜，还剩下啥菜)，在第二次为该餐桌炒菜时可以顺序推进

在这里，餐桌的菜品就是需要执行的代码，餐桌即线程，而餐桌的状态，则采用寄存器存储，当下一次处理该线程时，调出寄存器内的状态

寄存器存储的线程状态，称之为现场，储存现场，恢复现场，值得注意的是：

引入线程调用是为了串行模拟并行，CPU 太快了，使用者感受不出来区别
每个线程分配的执行时间，称之为时间片，通常是非常小的单位
由于调度的存在，它会在机器指令层面的任何一句上中断，而后调用其它线程。这也是 C++ 语言需要了解的逻辑
过多的线程，会让 CPU 消耗大量精力处理存储现场、恢复现场等准备工作。降低执行任务的频率，让电脑变得卡顿

4. 编译的逻辑

在 C++ 的世界观中，我们一定要有编译和链接的概念，一个程序从代码到执行是包括编译和链接两个部分的。

其中，编译又可以分为预处理、编译、汇编三个部分

预处理：把 C++ 源代码的宏语法进行展开，并整理 C++ 代码为翻译单元
编译：将整理后的翻译单元编译成汇编代码
汇编：将汇编代码编译为目标机器的机器码

链接时将所有的 C++ 得到的机器码联合起来，成为一个最终的可执行程序(集中力量办大事)

编译时只处理语法的正确性，对于函数调用，仅储存名称符号；链接时全局查找，为每一个符号找到具体实现，找到多个或者没找到都会编译失败，也因此我们引入声明和实现的概念，声明是外壳，实现是实体

int compute(int a, int b);  // 声明

int compute(int a, int b){	// 实现
    return a * b;
}

5. 作用域的逻辑

作用域有文件构建的作用域和大括号构建的作用域

对于文件构建的作用域，直接在 C++ 文件最外层定义的任何东西(如变量、类、函数)，其作用于整个程序所有位置，而加上了 static 后，只作用于当前文件内

编译时，各文件相互不干扰

链接时，同名全名变量或同名同参的函数会冲突。static 可使得链接时对外不可见

访问其它 C++ 变量可以加上 extern 关键字，访问其它 C++ 函数加声明

对于大括号构建的作用域，出作用域，变量失效，内存释放；任何作用域，都应该能访问其父级领域内的所有成员，反过来不行

{
    int x = 123;
    
    {
        int y = x + 5;
    }
}

{
    int x = 567;
}

6. 命名空间的逻辑

命名空间是为作用域设置一个名称，方便写代码。访问时采用作用域 :: 符合，未命名的作用域，视作全局作用域

namespace{
    int number = 123;
}

namespace AA{
    int number = 567;
}

int main(){
    
    cout << number << endl;		// 123
    cout << ::number << endl;	// 123
    cout << AA::number << endl;	// 567
    
    return 0;
}

7. 生命周期的逻辑

关于声明周期的逻辑，有以下几点值得注意：

每个作用域都有生命周期，是动态存在的。而命名空间是静态的，是为了写代码方便的
全局变量，属于全局作用域，随程序结束而销毁
进入作用域，变量构造，出作用域，变量释放，析构

8. C++类的逻辑

解决多态，是 C++ 类处理 OOP(Object Oriented Programming) 的核心逻辑而二级指针和虚表，是实现多态动态绑定的主要手段

9. 编译时和运行时的逻辑

C++ 有编译时(链接时)和运行时的区分

链接时：关注的是 cpp 文件、o 文件、so、a，关头文件路径、库文件位置

运行时：关注运行依赖的库所在位置，当前工作目录(workspace folder)，环境变量

库路径：在链接时和运行时都要关注，容易让人混淆。链接时只关注是否找到即可。而运行时必须保证加载成功。并且链接时与运行时查找 so 的方式截然不同。运行时查找 .so 动态库的方式是通过设置环境变量 LD_LIBRARY_PATH 来指定动态库搜索路径，而链接时查找 .so 动态库的方式则是通过编译链接时指定 -l 选项和 -L 选项来指定动态库的搜索路径和库名。

工作目录：很多人容易忽视的问题，当你 open("a.txt") 时，这个 a.txt 表示工作目录下的 a.txt，工作目录也称之为当前目录，在各个配置中可以看到如 cwd、workspacedir、pwd。当在调试或者运行程序时提示找不到文件，可以检查下文件是否放在了工作目录下。