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面试题集：C++高级编程与技术难题解析

题型一：多线程与并发编程（共5题，每题6分）

1.题目（6分）：

假设有一个共享资源`counter`，初始值为0。现有N个线程同时执行对`counter`的增值操作，请设计一个线程安全的`increment`函数，并解释为何需要使用互斥锁（mutex）来保护共享资源。如果使用原子操作（如`std::atomic`），代码如何实现？

2.题目（6分）：

描述死锁（Deadlock）产生的四个必要条件，并给出一个可能引发死锁的C++代码示例。如何通过资源序号法或死锁避免策略来解决这个问题？

3.题目（6分）：

在C++11中，`std::future`和`std::async`如何用于异步编程？请实现一个使用`std::async`计算斐波那契数列第N项的函数，并解释为何`std::async`的默认执行策略是`std::launch::async`。

4.题目（6分）：

解释条件变量（`std::condition_variable`）的工作原理，并设计一个生产者-消费者模型的线程安全实现。要求使用`std::unique_lock`来避免虚假唤醒。

5.题目（6分）：

比较C++中的`std::thread`、`std::async`和`std::promise`的适用场景。举例说明在何种情况下使用`std::promise`可以简化异步任务的通信。

题型二：智能指针与RAII（共4题，每题7分）

1.题目（7分）：

解释RAII（ResourceAcquisitionIsInitialization）模式在C++中的核心思想，并对比`std::unique_ptr`和`std::shared_ptr`的内存管理机制差异。举例说明`std::weak_ptr`如何解决循环引用问题。

2.题目（7分）：

编写一个自定义的智能指针类`ScopedResource`，要求使用RAII模式管理动态分配的内存，并在对象销毁时自动释放资源。需考虑异常安全性和移动语义。

3.题目（7分）：

分析`std::lock_guard`和`std::unique_lock`的区别，并说明在何种场景下需要使用`std::unique_lock`的`defer_lock`或`try_to_lock`成员函数。举例说明如何使用`std::unique_lock`保护跨多个线程的共享资源。

4.题目（7分）：

如果C++标准库中缺少`std::weak_ptr`，如何通过`std::shared_ptr`和原子操作实现类似的功能？请说明优缺点，并设计一个简化版的循环引用检测方案。

题型三：内存管理高级技术（共5题，每题6分）

1.题目（6分）：

解释C++中的“内存泄漏”和“悬挂指针”的区别，并说明`new`与`delete`、`new[]`与`delete[]`配对使用的重要性。举例说明如何使用`std::nothrow`和异常处理来优化内存管理代码。

2.题目（6分）：

描述C++11的智能内存分配器（如`std::pmr::memory_resource`）的概念，并说明其与标准内存分配器的区别。如何实现一个简单的线程本地内存分配器？

3.题目（6分）：

解释栈内存与堆内存的区别，并讨论栈溢出（StackOverflow）的常见原因。举例说明如何通过尾递归优化或避免栈溢出。

4.题目（6分）：

描述C++中的“碎片化”问题（内存碎片化），并对比动态内存分配（堆）和栈内存的碎片化特性。如何通过内存池（MemoryPool）技术缓解碎片化问题？

5.题目（6分）：

解释“零开销原则”（Zero-OverheadPrinciple）在C++中的体现，并举例说明`constexpr`、模板元编程和RAII如何实现零开销优化。

题型四：模板与泛型编程（共4题，每题7分）

1.题目（7分）：

解释模板特化（TemplateSpecialization）与重载（Overloading）的区别，并设计一个针对`int`类型的特化版本的通用排序函数模板，要求在编译时选择最优实现。

2.题目（7分）：

描述SFINAE（SubstitutionFailureIsNotAnError）原则在模板推导中的作用，并举例说明如何通过SFINAE实现类型检查或类型变换。对比`std::enable_if`和`static_assert`的应用场景。

3.题目（7分）：

解释模板元编程（TemplateMetaprogramming）的原理，并设计一个计算斐波那契数列第N项的模板递归实现。对比模板元编程与运行时计算的优缺点。

4.题