29道C++ 面向对象高频题整理（附答案背诵版）
1、什么是类？
在C++中，类是一种用户定义的数据类型，它可以包含数据成员和函数成员。数据成员用于存储与类相关的状态，而函数成员可以定义对这些数据进行操作的方法。可以把类想象为一个蓝图，根据这个蓝图可以创建对象，这些对象在内存中是类的实例。
比如说，我们可以定义一个Car类来表示汽车。这个类可以有数据成员如brand、color和maxSpeed来存储汽车的品牌、颜色和最高速度等属性。同时，Car类可能有函数成员如accelerate()和brake()来定义汽车加速和刹车的操作。
在现实生活中，每辆汽车都是根据汽车制造商设计的蓝图制造出来的，蓝图定义了汽车的特性和功能，类似地，在编程中，我们根据类创建对象来表示现实世界中的各种事物和概念。
2、面向对象的程序设计思想是什么?
面向对象程序设计（OOP）是一种编程范式，它使用“对象”来设计软件。在OOP中，对象是类的实例，类包含数据（属性）和可以对数据执行操作的方法（行为）。面向对象的核心概念包括封装、继承和多态性。
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封装：是指将数据（属性）和操作数据的代码（方法）打包在一起，形成一个独立的对象。这样可以隐藏对象的内部细节，只暴露必要的操作接口。比如，一个汽车对象封装了引擎、变速器等细节，只提供加速和刹车等接口。
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继承：允许新的类（子类）继承现有类（父类）的属性和方法。继承可以复用代码，并且可以创建层次结构。例如，可以有一个基本的车辆类，然后有子类如汽车、摩托车等，它们继承基本类的共同特性。
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多态性：指的是不同类的对象可以通过同一接口调用，具有不同的行为。例如，如果有一个函数接受车辆类的对象，那么任何车辆的子类对象，如汽车或摩托车，都可以使用该函数，但具体的行为会根据对象的实际类型而有所不同。
OOP的思想是通过模仿现实世界来组织和设计代码，使得代码更加模块化、易于理解和维护。通过把现实世界的实体映射成程序中的类和对象，开发者可以在更高的层次上思考问题，这样可以更容易地解决复杂的软件问题。
3、面向对象的三大特征是哪些？
面向对象编程（OOP）的三大特征是封装、继承和多态。它们是OOP中最核心的概念，每个特征都解决了软件开发中的一些常见问题。
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封装：封装是隐藏对象内部复杂性的过程，同时暴露出必要的功能。这可以防止外部代码直接访问对象内部的状态，减少了外部干扰和错误使用的可能性。在C++中，通常通过访问修饰符（private、protected、public）来实现封装。
应用场景示例：银行账户类（BankAccount）可能包含私有数据成员来存储账户余额，并提供公共方法来进行存款和取款，而不允许直接修改账户余额。
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继承：继承允许新创建的类（称为子类）继承父类的属性和方法。继承可以实现代码复用，并且可以形成一个类的层次结构。
应用场景示例：可以有一个通用的
Vehicle类，它包含所有交通工具的共通特征，然后可以有子类如Car、Truck和Motorcycle，它们继承Vehicle类并添加特定于它们的属性和方法。 -
多态：多态性意味着可以通过基类的指针或引用来调用派生类的方法。这使得程序可以在不知道对象确切类型的情况下对对象进行操作，从而使程序可以在运行时动态决定对象的行为。
应用场景示例：可以定义一个
Shape基类，并且有多个派生类如Circle、Rectangle和Triangle。每个派生类都有一个draw()方法的实现。如果有一个Shape类型的数组，程序可以遍历这个数组，并调用每个形状的draw()方法，具体调用哪一个实现，取决于数组元素的实际类型。
这三个特性共同支撑起面向对象编程的基础结构，使得OOP成为了一个强大和灵活的编程范式。
4、C++中struct和class有什么区别？
在C++中，struct（结构体）和class（类）在语法上非常相似，但它们有一个主要的默认访问权限和默认继承类型的区别：
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默认访问权限：在
class中，默认的成员访问权限是私有的（private），而在struct中，默认的是公共的（public）。这意味着除非你明确指定，否则class的成员和继承类型都是私有的，而struct的成员和继承类型默认是公开的。 -
默认继承类型：当从
struct或class继承时，如果没有显式指定继承类型（public、protected或private），struct会默认采用public继承，而class会默认采用private继承。
除了这些默认行为的差异，struct和class在C++中是几乎相同的，它们都可以包含数据成员、成员函数、构造函数、析构函数、成员函数重载、运算符重载等。
在实际使用中，struct通常用于包含数据的简单的聚合类型，而class通常用于需要封装和复杂行为的对象。但这更多是编程风格和传统的选择，而不是强制的规则。
例如，如果你有一个只包含数据的点结构，你可能会选择使用struct：
struct Point {
int x;
int y;
};
如果你有一个更复杂的数据结构，可能需要封装和方法来操作数据，你可能会选择使用class：
class Car {
private:
int speed;
int gear;
public:
void accelerate(int increment);
void decelerate(int decrement);
// 更多的成员函数和构造函数
};
在现代C++编程中，选择struct还是class更多是基于你想要表达的意图，而不是它们的技术区别。
5、动态多态有什么作用？有哪些必要条件？
动态多态是面向对象编程中的一个核心特性，它允许在运行时通过指向基类的指针或引用来调用派生类的方法，使得相同的操作可以作用于不同类型的对象上，从而表现出不同的行为。
动态多态的作用非常广泛，它允许程序代码更加通用和灵活。例如，你可以设计一个函数，它接受一个基类的引用，然后在运行时，这个函数可以用不同派生类的对象来调用，而且不需要修改函数本身的代码。这种能力使得代码重用更加容易，可以构建更加抽象和动态的系统。
动态多态的实现有几个必要条件：
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继承：必须有两个类，一个基类和一个从基类派生出来的子类。
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基类中的虚函数：在基类中必须有至少一个函数被声明为虚函数（使用
virtual关键字）。派生类通常会重写（override）这个虚函数来提供特定的功能。 -
基类的指针或引用：需要通过基类的指针或引用来调用虚函数，这样C++运行时才能利用虚函数表（v-table）来动态决定调用哪个函数。
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动态绑定：当通过基类的指针或引用调用虚函数时，发生的是动态绑定，这意味着直到程序运行时，才决定调用对象的哪个方法。
举个例子，假设有一个基类Shape和两个派生类Circle和Square。基类中有一个虚函数draw()。那么你可以通过Shape的指针或引用来调用draw()，在运行时，如果指向的是Circle对象，则调用的是Circle的draw()实现，如果是Square对象，则调用Square的draw()实现。
这使得程序能够对不同类型的对象进行操作，而无需知道对象的确切类型，从而增加了程序的灵活性和可扩展性。
6、C++中类成员的访问权限
在C++中，类成员的访问权限是通过访问修饰符来控制的，主要有三种：public、protected和private。
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Public（公共）:
public成员在任何地方都可以访问。- 如果一个类的成员被声明为
public，那么这个成员可以在类的内部被访问，类的对象可以直接访问它，继承该类的子类也可以访问。
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Protected（受保护）:
protected成员在类内部和派生类中可以访问，但是不能通过类的对象直接访问。- 这意味着如果一个成员声明为
protected，那么它对于任何从该类派生的类都是可访问的，但是不可以通过对象来直接访问。
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Private（私有）:
private成员只能在类内部被访问。- 这是最严格的访问级别，如果成员被声明为
private，那么它只能被类的成员函数、友元函数访问，即使是子类也无法访问私有成员。
下面是一个简单的类定义，展示了如何使用这些访问修饰符：
class MyClass {
public: // 公共成员
int publicVariable;
void publicFunction() {
// ...
}
protected: // 受保护成员
int protectedVariable;
void protectedFunction() {
// ...
}
private: // 私有成员
int privateVariable;
void privateFunction() {
// ...
}
};
访问权限是面向对象设计的一个重要方面，它帮助我们实现封装。封装不仅仅是将数据和行为包装在一起，还包括对数据的保护，确保只有通过类提供的接口才能访问和修改数据，防止了外部的非法访问，降低了代码的复杂性，并使得维护和扩展更加容易。
7、多态的实现有哪几种？
在C++中，多态主要通过以下两种方式实现：
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编译时多态（静态多态）：
- 这种多态在编译时发生，主要通过函数重载和运算符重载实现。
- 函数重载是在同一作用域内有多个同名函数，但它们的参数类型或数量不同，编译器根据函数调用时传入的参数类型和数量来决定调用哪个函数。
- 运算符重载是一种特殊的函数重载，它允许为类定义新的操作符函数，使得可以使用传统操作符来操作对象。
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运行时多态（动态多态）：
- 这种多态在程序运行时发生，主要通过虚函数实现。
- 虚函数：当一个函数在基类中被声明为虚函数时，它可以在任何派生类中被重写。通过基类的指针或引用调用虚函数时，会根据对象的实际类型来调用相应的函数，即使是在基类类型的引用或指针下也是如此。
- 纯虚函数和抽象类：当在类中声明一个虚函数但不提供实现，只提供其声明的时候，这个函数就是纯虚函数（使用
= 0语法），包含纯虚函数的类称为抽象类。抽象类不能被实例化，只能被继承，并且派生类必须提供纯虚函数的实现。
动态多态是通过虚函数表（也称为V-Table）来实现的，这是一种在运行时用来解析函数调用的机制。当类中包含虚函数时，每个对象会包含一个指向虚函数表的指针，虚函数表中存储了对应于该对象实际类型的函数地址。这样，当调用虚函数时，程序能够动态地决定应该调用哪个函数实现。
这两种多态的方式都允许同一接口使用不同的实现，使得程序可以在不完全知道对象类型的情况下，对对象进行操作。静态多态的优点是效率高，因为函数调用在编译时就已经解析了；而动态多态的优点是灵活性高，可以在运行时决定调用哪个函数。
8、动态绑定是如何实现的？
在C++中，动态绑定是通过虚函数来实现的。虚函数允许在派生类中重写基类的行为。在基类中声明虚函数时，使用关键字virtual，这样在派生类中就可以覆盖这个函数以实现不同的行为。
当我们使用基类的指针或引用来调用一个虚函数时，C++运行时会根据对象的实际类型来决定应该调用哪个函数，这个过程是在运行时发生的，因此被称为“动态绑定”。
举个例子，假设我们有一个Animal基类和两个派生类Dog和Cat。Animal类中有一个虚函数makeSound()。Dog和Cat类分别覆盖了这个函数，提供了各自的实现。
class Animal {
public:
virtual void makeSound() {
std::cout << "Some generic animal sound\n";
}
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Woof!\n";
}
};
class Cat : public Animal {
public:
void makeSound() override {
std::cout << "Meow!\n";
}
};
当我们这样调用时：
Animal* myAnimal = new Dog();
myAnimal->makeSound(); // 输出 "Woof!"
即使myAnimal是一个Animal类型的指针，它也会调用Dog类中的makeSound()函数，因为myAnimal实际指向的是一个Dog对象。这就是动态绑定的工作原理。如果将myAnimal指向Cat类的对象，那么调用myAnimal->makeSound()将输出"Meow!"。这种机制使得我们可以写出更加灵活和可扩展的代码。
9、动态多态有什么作用？有哪些必要条件？
动态多态在C++中主要用于允许在运行时选择使用哪个函数，即使我们在编写代码时不知道确切的对象类型。它使得程序可以更加灵活，可以编写出既通用又可扩展的代码。通过动态多态，同一个接口可以对应多种不同的实现，这有助于减少代码冗余和增强代码的可维护性。
动态多态的实现有以下必要条件：
- 继承：必须有一个基类和一个或多个派生类。
- 虚函数：在基类中必须有虚函数，派生类中可以重写这些虚函数。
- 指针或引用：使用基类类型的指针或引用来操作派生类的对象。
应用场景的例子：考虑一个图形编辑器，我们可以定义一个Shape基类，并且有多个派生类如Circle、Rectangle等。Shape类中有一个虚函数draw()，每个派生类都有自己的实现。
class Shape {
public:
virtual void draw() const = 0; // 纯虚函数，使得Shape成为抽象类
};
class Circle : public Shape {
public:
void draw() const override {
// 绘制圆形的代码
}
};
class Rectangle : public Shape {
public:
void draw() const override {
// 绘制矩形的代码
}
};
在图形编辑器中，我们可能有一个Shape类型的列表，其中包含了各种形状的对象。在运行时，我们可以遍历这个列表，调用每个形状的draw()函数来绘制它们。这样，无论列表中有什么类型的形状，都会调用正确的绘制函数，这就是动态多态的作用。
10、纯虚函数有什么作用？如何实现？
纯虚函数在C++中用于创建抽象类，这种类不能直接实例化，而是用来定义派生类应遵循的接口。当类中至少有一个纯虚函数时，这个类就成为了抽象类。纯虚函数定义了一个接口，派生类需要覆盖这个接口提供具体的实现。
纯虚函数的作用主要有两个：
- 定义接口规范：它规定了派生类必须实现的函数，确保所有派生类都遵循同一接口规范。
- 阻止基类实例化：它使得不能创建基类的对象，只能创建派生类的对象，这样可以确保客户代码不会错误地使用不完整的基类对象。
纯虚函数的声明在C++中是在函数声明末尾加上= 0。这里的= 0并不表示函数返回值为0，而是C++语法中表示函数为纯虚函数的特殊标记。
下面是一个纯虚函数的例子：
class Base {
public:
virtual void doSomething() = 0; // 纯虚函数
};
class Derived : public Base {
public:
void doSomething() override {
// 提供具体的实现
}
};
在这个例子中，Base是一个抽象类，因为它有一个纯虚函数doSomething()。Derived类继承自Base并提供了doSomething()的具体实现。这样，不能直接创建Base类的对象，但可以创建Derived类的对象。
在设计模式中，纯虚函数经常用来定义接口或者抽象基类，以便不同的派生类可以提供多样化的实现，这是实现多态的关键部分。
11、虚函数表是针对类的还是针对对象的？同一个类的两个对象的虚函数表是怎么维护的？
答：虚函数表，或者称为vtable，是针对类的。虚函数表是一个存储类中所有虚函数地址的数组。当我们定义一个类，并在其中声明了虚函数时，编译器就会为这个类生成一个虚函数表。
每一个对象（或者说是实例），只要它的类有虚函数，那么它就会有一个指向这个类的虚函数表的指针。这意味着，同一个类的各个对象，它们的虚函数表指针都指向同一个虚函数表。所以，虽然每个对象都有自己的虚函数表指针，但是同一个类的所有对象共享同一个虚函数表。
举个例子，假设我们有一个基类Animal，它有一个虚函数makeSound()。那么，Animal就有一个虚函数表，其中包含了makeSound()的地址。然后我们创建了两个Animal对象，cat和dog。这两个对象都有一个指针指向Animal的虚函数表，即使是两个不同的对象，但是它们的虚函数表是相同的。
然后，如果我们有一个子类Cat继承自Animal，并且重写了makeSound()函数。那么，Cat也会有一个虚函数表，其中makeSound()的地址被替换为Cat类中的makeSound()函数的地址。当我们创建一个Cat对象kitty时，kitty的虚函数表指针就会指向Cat的虚函数表。
12、为什么基类的构造函数不能定义为虚函数？
在C++中，基类的构造函数不能被定义为虚函数，原因有两个：
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构造函数的目的是初始化对象。当我们创建一个对象时，构造函数被调用来初始化对象的数据成员。在这个阶段，对象才刚刚开始被构建，还没有完全形成，因此它还不具备执行虚函数调用的条件（即，动态绑定）。因为执行虚函数调用需要通过对象的虚函数表指针，而这个指针在构造函数执行完毕后才会被设置。
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虚函数通常在有继承关系的类中使用，用于实现多态。在子类对象的构造过程中，首先会调用基类的构造函数，然后才是子类的构造函数。如果基类的构造函数被定义为虚函数，那么在执行基类的构造函数时，由于子类的部分还没有被构造，所以无法正确地执行子类构造函数中对虚函数的重写。这就破坏了虚函数的目的，即允许子类重写基类的行为。
因此，基于以上原因，C++不允许构造函数为虚函数。但是，析构函数可以（并且通常应该）被声明为虚函数，以确保当删除一个指向派生类对象的基类指针时，派生类的析构函数能被正确调用，避免资源泄露。
13、为什么基类的析构函数需要定义为虚函数？
在C++中，基类的析构函数应该被定义为虚函数，主要是为了能正确地释放动态分配的资源，避免内存泄漏。
当我们使用基类指针指向派生类对象，并使用delete删除这个指针时，如果基类的析构函数不是虚函数，那么只有基类的析构函数会被调用。这样，派生类的析构函数就没有机会被调用，导致派生类中的资源没有被正确释放，造成内存泄漏。
而如果我们将基类的析构函数定义为虚函数，那么在删除基类指针时，就会根据这个指针实际指向的对象类型，调用相应的析构函数，先调用派生类的析构函数，然后再调用基类的析构函数。这样就能确保所有的资源都被正确释放，避免内存泄漏。
举个例子，假设我们有一个基类Animal和一个派生类Cat，Cat类在堆上分配了一些资源。如果我们用一个Animal指针指向一个Cat对象，然后用delete删除这个指针，如果Animal的析构函数不是虚函数，那么只有Animal的析构函数会被调用，Cat的析构函数不会被调用，Cat在堆上分配的资源就没有被释放，造成内存泄漏。而如果Animal的析构函数是虚函数，那么就会先调用Cat的析构函数，释放Cat的资源，然后再调用Animal的析构函数，这样就避免了内存泄漏。
14、构造函数和析构函数能抛出异常吗？
在C++中，构造函数和析构函数都可以抛出异常，但这并不是一个被推荐的做法，原因如下：
构造函数抛出异常：
如果在构造函数中抛出异常，那么对象的构造过程就会被中断。这就意味着对象可能处于一个部分初始化的状态，其成员可能没有被正确初始化。如果你试图在后续的代码中使用这个对象，可能会出现未定义的行为。
举个例子，你有一个DatabaseConnection类，其构造函数试图连接到数据库。如果连接失败，构造函数就抛出一个异常。这个时候，如果你在后续的代码中试图使用这个DatabaseConnection对象，就可能出现问题，因为它并没有正确地初始化。
析构函数抛出异常：
如果在析构函数中抛出异常，情况就更复杂了。析构函数通常在对象生命周期结束时被调用，或者在释放动态分配的内存时被调用。如果在这个过程中析构函数抛出了异常，而你又没有正确地捕获这个异常，那么程序就可能会中断，并可能导致资源泄露。
更糟糕的是，如果析构函数是在处理另一个异常时被调用，并在这个过程中又抛出了一个新的异常，那么C++会立即调用std::terminate，程序会立即终止。
因此，虽然构造函数和析构函数都可以抛出异常，但是在大多数情况下，我们应该尽量避免在这两个函数中抛出异常，或者至少确保这些异常被正确地捕获和处理，以避免未定义的行为
15、如何让一个类不能实例化？
在C++中，如果你希望一个类不能被实例化，也就是不能创建该类的对象，你可以通过以下两种方式来实现：
- 声明类的构造函数为protected或private： 如果一个类的构造函数被声明为protected或private，那么在类的外部就不能直接调用这个构造函数来创建类的对象。只有类本身和它的友元函数或类可以访问它的私有或保护成员。
class NonInstantiable1 {
private:
NonInstantiable1() {} // private constructor
};
- 将类声明为抽象基类（Abstract Base Class, ABC）： 如果一个类至少有一个纯虚函数，那么这个类就是抽象基类，无法被实例化。纯虚函数是在基类中声明但不定义的虚函数，它在基类中的声明形式如下：
virtual void func() = 0;。纯虚函数使得派生类必须提供自己的实现，否则派生类也将成为抽象基类。
class NonInstantiable2 {
public:
virtual void func() = 0; // pure virtual function
};
上述两种方式都可以让一个类不能直接实例化，但是可以作为基类被继承。在派生类中，你可以提供构造函数的实现或者实现基类中的纯虚函数，使得派生类可以被实例化。
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