C++语言相关的常见面试题目(三)

1. List底层实现原理

省流： list底层实现了一个双向循环链表。

每个元素（或节点）包含三个部分：数据域(_M_Storage)、前驱指针(_M_prev)、后继指针(_M_next)。

数据域：存储实际数据。

前驱指针：指向链表中当前节点之前的一个节点。

后继指针：指向链表中当前节点之后的一个节点

此外，存在一个特殊节点，通常称为哨兵节点（sentinel node）或者空节点。这个节点不存储用户定义的数据，其主要作用是简化边界条件处理。在双向循环链表的实现中，这个空节点同时作为头节点和尾节点的前驱和后继，使得链表形成一个闭环。

# 构造与析构
list<T>()：默认构造函数，创建一个空的list。
list<T>(size_type n, const T& value)：构造一个包含n个重复值value的list。
list<T>(const list<T>&)：拷贝构造函数。
~list()：析构函数，释放list占用的所有资源。
# 赋值操作
list<T>& operator=(const list<T>&)：赋值运算符，复制另一个list的内容给当前list。
assign(iterator first, iterator last)：将[first, last)区间内的元素赋值给list。
# 大小操作
size_type size() const：返回list中元素的数量。
bool empty() const：如果list为空则返回true，否则返回false。
void resize(size_type sz, T c = T())：调整list的大小到sz，若增加则用c填充新位置。
# 元素访问
reference front()：返回第一个元素的引用。
const_reference front() const：返回第一个元素的常量引用。
reference back()：返回最后一个元素的引用。
const_reference back() const：返回最后一个元素的常量引用。
# 插入与删除
iterator insert(iterator position, const T& val)：在position指定的位置插入val。
void push_back(const T& val)：在list末尾添加一个元素。
void push_front(const T& val)：在list开头添加一个元素。
iterator erase(iterator position)：删除position指定的元素并返回下一个元素的迭代器。
iterator erase(iterator first, iterator last)：删除[first, last)区间内的所有元素。
void pop_back()：删除最后一个元素。
void pop_front()：删除第一个元素。
# 迭代器操作
iterator begin()：返回指向list第一个元素的迭代器。
const_iterator begin() const：返回指向list第一个元素的常量迭代器。
iterator end()：返回指向list末尾的下一个位置的迭代器。
const_iterator end() const：返回指向list末尾的下一个位置的常量迭代器。
# 其他操作
void swap(list<T>& x)：交换两个list的内容。
void remove(const T& val)：删除所有值为val的元素。
template <class Predicate> void remove_if(Predicate pred)：根据谓词pred删除元素。
void reverse()：反转list中的元素顺序。
void sort()：按升序排序list中的元素（注意：list的sort函数是特化的，不能直接使用std::sort）。
void merge(list<T>& x)：合并x到当前list中，要求list已排序。

2. deque的底层实现原理

deque底层基于分段数组实现，结合了动态数组和双向链表的特点。

deque继承自_Deque base。整体结构可以分为两部分：指针数组和迭代器。

指针数组：首位元素的地址空间、指针数组容量大小

迭代器：当前正在遍历的元素、当前连续空间的首尾地址，还有指向当前空间的指针（存储在指针数组中）

基础API：

# 构造与析构
deque<T>()：默认构造函数，创建一个空的deque。
deque<T>(size_type n, const T& value)：构造一个包含n个重复值value的deque。
deque<T>(const deque<T>&)：拷贝构造函数。
deque<T>(initializer_list<T>)：使用初始化列表构造deque。
~deque()：析构函数，释放deque占用的所有资源。
# 赋值操作
deque<T>& operator=(const deque<T>&)：赋值运算符，复制另一个deque的内容给当前deque。
assign(iterator first, iterator last)：将[first, last)区间内的元素赋值给deque。
assign(size_type n, const T& value)：将deque的元素替换为n个value。
# 大小操作
size_type size() const：返回deque中元素的数量。
bool empty() const：如果deque为空则返回true，否则返回false。
void resize(size_type sz, T c = T())：调整deque的大小到sz，若增加则用c填充新位置。
# 元素访问
reference front()：返回第一个元素的引用。
const_reference front() const：返回第一个元素的常量引用。
reference back()：返回最后一个元素的引用。
const_reference back() const：返回最后一个元素的常量引用。
# 注意：deque不直接支持下标运算符[]进行随机访问，但迭代器可用于遍历。
# 插入与删除
iterator insert(iterator position, const T& val)：在position指定的位置插入val。
void push_back(const T& val)：在deque末尾添加一个元素。
void push_front(const T& val)：在deque开头添加一个元素。
iterator erase(iterator position)：删除position指定的元素并返回下一个元素的迭代器。
iterator erase(iterator first, iterator last)：删除[first, last)区间内的所有元素。
void pop_back()：删除最后一个元素。
void pop_front()：删除第一个元素。
# 迭代器操作
iterator begin()：返回指向deque第一个元素的迭代器。
const_iterator begin() const：返回指向deque第一个元素的常量迭代器。
iterator end()：返回指向deque末尾的下一个位置的迭代器。
const_iterator end() const：返回指向deque末尾的下一个位置的常量迭代器。
# 其他操作
void swap(deque<T>& x)：交换两个deque的内容。
void clear()：清空deque中的所有元素。

3. multiset的实现原理

概括：基于红黑树实现，允许键值重复的有序集合

简单介绍一下红黑树。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，它具有以下特性：

每个节点都带有颜色属性，可以是红色或黑色。
根节点和叶子节点（NIL 节点）都被认为是黑色的。
如果一个节点是红色的，则它的子节点必须是黑色的（也就是说，不能有两个相邻的红色节点）。
从任一节点到其每个叶子（NIL 节点）所经过的黑色结点数目相同。

STL multiset底层函数成员：

_Rb_tree：这是一个模板类，表示红黑树。红黑树是一种自平衡二叉搜索树，广泛用于实现关联容器（如 set 和 map）。key_type：这是红黑树中键的类型。它通常是用户定义的类型，用于标识红黑树中的元素。value_type：这是红黑树中值的类型。对于 set，key_type 和 value_type 是相同的；对于 map，value_type 是 std::pair<const key_type, mapped_type>。_Identity<value_type>：这是一个函数对象，用于返回值本身。在红黑树中，它用于从节点中提取键值对。key_compare：这是一个比较函数对象，用于比较键的大小。它决定了红黑树的排序规则。Key_alloc_type：这是一个分配器类型，用于管理红黑树中节点的内存分配。_Rep_type：这是一个类型别名，表示一个 _Rb_tree 类型的对象。通过 typedef，我们可以使用 _Rep_type 来引用 _Rb_tree<key_type, value_type, _Identity<value_type>, key_compare, Key_alloc_type> 类型。

主要API使用说明：

# 构造、复制、销毁
multiset();
explicit multiset(const Compare& comp); // Compare 是比较元素的函数对象类型。
template <class InputIterator> multiset(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comp = Compare()); // InputIterator 是输入迭代器类型，能够从first到last
# 遍历元素。
multiset(const multiset& ms);
~multiset();
# 元素访问（尽管直接访问接口较少，但迭代器可用于间接访问）
# 通过迭代器遍历，如上面提到的iterator, const_iterator, reverse_iterator, const_reverse_iterator。
# 迭代器
iterator begin(); // 返回multiset类型迭代器，指向第一个元素。
const_iterator begin() const;
iterator end(); // 返回multiset类型迭代器，指向最后一个元素之后的位置。
const_iterator end() const;
reverse_iterator rbegin(); // 反向迭代器，指向最后一个元素。
const_reverse_iterator rbegin() const;
reverse_iterator rend(); // 反向迭代器，指向第一个元素之前的位置。
const_reverse_iterator rend() const;
# 容量
bool empty() const;
size_type size() const; // size_type 是无符号整数类型，足够大以存储容器中可能的最大元素数量。
size_type max_size() const; // 返回理论上容器能容纳的最大元素数量。
# 修改
pair<iterator,bool> insert(const value_type& x); // value_type 是容器中存储的元素类型，iterator指向新插入元素或已存在的相等元素的位置，bool指示是否插入了新元素。
iterator insert(iterator position, const value_type& x); // 在迭代器position指示的位置附近插入元素，返回指向插入元素的迭代器。
template <class InputIterator> void insert(InputIterator first, InputIterator last); // 插入区间内的元素。
void erase(iterator position); // 删除迭代器position所指的元素。
size_type erase(const key_type& x); // 删除所有键值等于x的元素，返回删除的数量。
void swap(multiset& x); // 交换两个multiset的内容。
# 查找
iterator find(const key_type& x); // 返回指向键值等于x的第一个元素的迭代器，如果不存在则返回end()。
const_iterator find(const key_type& x) const;
size_type count(const key_type& x) const; // 返回键值等于x的元素数量。
iterator lower_bound(const key_type& x); // 返回第一个键值不低于x的元素的迭代器。
const_iterator lower_bound(const key_type& x) const;
iterator upper_bound(const key_type& x); // 返回第一个键值大于x的元素的迭代器。
const_iterator upper_bound(const key_type& x) const;
pair<iterator,iterator> equal_range(const key_type& x); // 返回一个迭代器对，分别指向键值等于x的元素范围的首尾。
pair<const_iterator,const_iterator> equal_range(const key_type& x) const;
# 比较
bool operator==(const multiset& x) const;
bool operator!=(const multiset& x) const;
bool operator<(const multiset& x) const;
bool operator>(const multiset& x) const;
bool operator<=(const multiset& x) const;
bool operator>=(const multiset& x) const;

4. 优先级队列的实现原理

STL内部使用最大最小堆实现优先级队列，STL中的priority_queue默认使用的底层数据结构是vector。这个容器适配器底层实现了一个最大堆，利用vector来存储元素，因为vector提供了快速的随机访问能力。

常用API：

构造函数：priority_queue<T>：默认构造函数，创建一个空的优先队列，默认使用 std::less<T> 作为比较函数。
explicit priority_queue(const Compare& comp)：使用指定的比较函数 comp 创建一个空的优先队列。
成员函数：size_t size() const：返回优先队列中元素的数量。
bool empty() const：判断优先队列是否为空，若为空则返回 true，否则返回 false。
const T& top() const：获取优先级最高（即顶部）元素的引用，并不删除该元素。
void push(const T& value)：将元素插入到优先队列中，并保持堆结构。
template <class... Args> void emplace(Args&&... args)：通过传递参数直接构造新元素并插入到优先队列中，并保持堆结构。
void pop()：删除顶部（即最高优先级）元素。

5. 迭代器的底层实现原理？有哪几种迭代器？

迭代器的定义：实现了一种访问容器内元素但是不会暴露容器内部实现的方式。

迭代器底层原理核心包括：

（1）模拟指针操作：通过类对象模拟指针行为，重载解引用和递增/递减操作符，实现对容器元素的访问与遍历。

（2）标准化接口：提供一套统一的接口规范，确保不同容器迭代器的兼容性和互换性。

（3）与容器互动：依赖容器实现间接访问元素，不直接管理内存，需考虑容器变化导致的迭代器失效问题。

（4）类型系统与泛型编程：利用类型推导和模板技术，自动匹配容器类型，实现泛型迭代。

（5）抽象与解耦：隐藏容器内部结构，使算法独立于数据结构，提高代码复用性和灵活性。