C++ 坑人系列(1): 让面试官晕倒的题目

 今天和几位同仁一起探讨了一下C++的一些基础知识，在座的同仁都是行家了，有的多次当过C++技术面试官。不过我出的题过于刁钻: 不是看起来太难，而是看起来极其容易，但是其实非常难! 结果一圈下来，3道题，竟然无一人答对，于是只能安慰大家，这几道题，答不对是正常的。
    "你真的清楚构造函数,拷贝构造函数,operator=，析构函数都做了什么吗? 它们什么时候被调用?"，这些问题可不是面向初菜的问题，对于老鸟而言，甚至对于许多自诩为老手的人而言，倒在这上面也是很正常的。因为这个问题的答案不但考察我们对于C++语言的理解，而且答案是和编译器的实现有关的！
【第一题】以下代码,main函数中G.i的打印结果是什么? 写在一张纸上，再看答案。我不是在挑战大家的知识，我是在挑战很多人的常识。

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1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. class G
4. {
5. public:
6. static int i;
7. G() {cout<<"ctor"<<endl;i+=1;}
8. G(const G& rg){cout<<"copy ctor"<<endl;i+=2;}
9. G& operator=(const G& rg){cout<<__FUNCTION__<<endl;i+=3;return *this;}
10. };
11. int G::i=0;
12. G Create()
13. {
14. cout<<__FUNCTION__<<" starts"<<endl;
15. G obj;
16. cout<<__FUNCTION__<<" ends"<<endl;
17. return obj;
18. }
19. int main(int argc, char* argv[])
20. {
21. G g1=Create();
22. cout<<"G.i="<<G::i<<endl;
23. return 0;
24. }

"3,2,1,公布答案"。G.i是多少? 回答4及其以上的统统枪毙。回答3及其以下的留下继续讨论。注意，这里根本就没有调用到operator=，因为operator=被调用的前提是一个对象已经存在，我们再次给它赋值，调用的才是operator=。
   那么答案到底是多少呢? VC编译器，用2008或者2012，Debug版都是3，Release版都是1。用GCC4.7，Debug/Release都是1。
   为什么? 因为G g1=Create();这句话，可能会触发C++编译器的一个实现特性，叫做NRVO，命名返回值优化。也就是G函数中的obj并没有被创建在G的调用栈中，而是调用Create()函数的main的栈当中，因此obj不再是一个函数的返回变量，而是用g1给Create()返回的变量命名。
   VC的Debug版没有触发NRVO，因此会多调用一个拷贝构造函数，结果和Release版不一样----能说出这个的C++一定是中级以上水平了。
   这就带了一个问题，如果用VC编程的话，HouseKeep/计数的信息如果在ctor/copy ctor里面，那么不能保证调试版和发布版的行为一致。这个坑太大了。但是GCC没有这个问题！瞬间对理查德-斯托曼无比敬仰。

【第二题】以下程序的运行结果是什么:

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1. #include <vector>
2. #include <iostream>
3. using namespace std;
4. struct Noisy {
5. Noisy() {std::cout << "constructed\n"; }
6. Noisy(const Noisy&) { std::cout << "copied\n"; }
7. ~Noisy() {std::cout << "destructed\n"; }
8. };
9. std::vector<Noisy> f()
10. {
11. std::vector<Noisy> v = std::vector<Noisy>(2); // copy elision from temporary to v
12. return v; // NRVO from v to the nameless temporary that is returned
13. }
14. void fn_by_val(std::vector<Noisy> arg) // copied
15. {
16. std::cout << "arg.size() = " << arg.size() << '\n';
17. }
18. void main()
19. {
20. std::vector<Noisy> v = f(); // copy elision from returned temporary to v
21. cout<<"------------------before"<<endl;
22. fn_by_val(f());// and from temporary to the argument of fn_by_val()
23. cout<<"------------------after"<<endl;
24. }

第一轮没有被枪毙的同学注意了: 这道题目的答案仍然是和编译器有关的，而且和版本还有关系。
(2.1) VC2008 Debug版的运行结果

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1. constructed
2. copied
3. copied
4. destructed
5. copied
6. copied
7. destructed
8. destructed
9. ------------------before
10. constructed
11. copied
12. copied
13. destructed
14. copied
15. copied
16. destructed
17. destructed
18. arg.size() = 2
19. destructed
20. destructed
21. ------------------after
22. destructed
23. destructed
24. Press any key to continue . . .

看到了吗，在"------------before"之前，有一个奇怪的ctor, copy ctor, copy ctor, dtor的调用序列? 这是VC2008当中std::vector<Noisy>(2)做的事情: 先调用一个默认构造函数构造Noisy临时对象，然后把临时对象拷贝给vector<Noisy>的两个程序，再把临时对象析构掉。太傻了吧！Release版的结果稍微好一点，返回的vector不再被拷贝了，就如同第一题所说的:
(2.2) VC2008 Release版的运行结果

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1. constructed
2. copied
3. copied
4. destructed
5. ------------------before
6. constructed
7. copied
8. copied
9. destructed
10. arg.size() = 2
11. destructed
12. destructed
13. ------------------after
14. destructed
15. destructed
16. Press any key to continue . . .

换个编译器VC2012编译出来的，就聪明多了(Debug/Release运行结果相同):

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1. constructed
2. constructed
3. ------------------before
4. constructed
5. constructed
6. arg.size() = 2
7. destructed
8. destructed
9. ------------------after
10. destructed
11. destructed
12. Press any key to continue . . .

调用了两次ctorl来构造这个vector。性能提高多了。慢点，还有一点不同，因为函数fn_by_val的参数是传值而不是传引用，所以编译器知道在这个函数里面vector没有被修改，因此直接把传值优化成了传const&! VC2012的Debug/Release一致！终于赶上GCC了，不容易。
    问题：到底什么时候一个拷贝构造的操作可以被优化掉呢? C++标准还是有定义的，这个网页说的很清楚(http://en.cppreference.com/w/cpp/language/copy_elision)。其中的Notes一段话非常重要，我贴到这里:
    Notes
    Copy elision is the only allowed form of optimization that can change the observable side-effects. Because some compilers do not perform copy elision in every situation where it is allowed, programs that rely on the side-effects of copy/move constructors and destructors are not portable.
    Even when copy elision takes place and the copy-/move-constructor is not called, it must be present and accessible, otherwise the program is ill-formed.
   也就是说，编译器即使知道ctor/copy ctor/move ctor/dtor有副作用，也会考虑消除拷贝。当然，其他的编译器优化是不能消除副作用的。其他的Copy elision的情况有举例如下。
(2.3)临时变量不需要被copy:

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1. struct My {
2. My() {std::cout << "constructed\n"; }
3. My(const My&) { std::cout << "copied\n"; }
4. ~My() {std::cout << "destructed\n"; }
5. };
6. void f(My m){}
7. void main()
8. {
9. f(My());
10. }

运行结果是:

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1. constructed
2. destructed
3. Press any key to continue . . .

看起来，临时变量My()被优化成了一个const My&并传递了进去，当作了f的参数。
(2.4)再看一个throw的例子:

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1. struct My {
2. My() {std::cout << "constructed\n"; }
3. My(const My&) { std::cout << "copied\n"; }
4. ~My() {std::cout << "destructed\n"; }
5. };
6. void fm(){throw My();}
7. void main()
8. {
9. try{
10. cout<<"before throw"<<endl;
11. fm();
12. cout<<"after throw"<<endl;
13. }catch(My& m)
14. {}
15. }

这里的throw My()语句构造的My对象，优化后是构造在try的栈上面而非fm的栈上面，因此没有copy ctor的调用。
【第三题】以下程序的运行结果是什么?

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1. using namespace std;
2. struct C4
3. {
4. void f(){throw 1;}
5. ~C4(){throw 2;}
6. };
7. int main(size_t argc, char* argv[])
8. {
9. try
10. {
11. try
12. {
13. C4 obj;
14. obj.f();
15. }catch(int i)
16. {
17. cout<<i<<endl;
18. }
19. }catch(int i)
20. {
21. cout<<i<<endl;
22. }
23. return 0;
24. }

到底是打印1还是打印2还是两个都打印？不要翻书了，这个程序运行起来，什么都不打印，直接崩溃了。用VC2008/VC2012/GCC4.7的Debug/Release都验证过了。原因呢? 和C++编译器的异常传递链条的"实现"有关，展开来解释能有几十页。能答对这道题并说出原因的面试者应该是高级以上水平，可以直接录用，别的都不用看了。
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    以上几个题目真的会成为面试题吗? 基本不会，面试官能答上来的也寥寥。来个测试，
    填空: 用VC2008或者VC2012编译下面的代码，Release版，
      那么在main函数中,My的4个函数分别被调用了多少次?
        My::My()调用了___次
        My::My(const My&)调用了___次
        My& My::operator(const My&)调用了___次
        My::~My()调用了___次

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1. #include<iostream>
2. using namespace std;
3. class My{
4. public:
5. My() {cout<<"ctor"<<endl;}
6. My(const My&){cout<<"copy ctor"<<endl;}
7. My& operator=(const My&){
8. cout<<"operator="<<endl;
9. return *this;
10. }
11. ~My(){cout<<"dtor"<<endl;}
12. };
13. My f(){
14. My obj;
15. return obj;
16. }
17. int main(void){
18. My obj1;
19. My obj2=obj1;
20. My obj3=f();
21. return 0;
22. }