Статья создавалась постепенно: после каждого собеседования я дополнял её новыми вопросами, с которыми столкнулся лично. Например, перед началом написания статьи я ничего не знал про perfect forwarding (мельком слышал про универсальную ссылку) и std::shared_mutex.

Где располагаются переменные, чем инициализированы, область видимости:

int a;
static int b;
int c = 30;
const int d = 20; // без слова "extern" переменная d видна только в этом файле

void function() {
  int fa;
  int fb = 10;
  const int fc = 5;
  static int fd; // инициализируется нулём при первом вызове функции
  static int fe = 1; // инициализируется единичкой при первом вызове функции 
}

Если мы объявляем переменную в глобальном пространстве, то указание static делает видимость этой переменной только в этом файле. Указание константности приводит (в зависимости от желания компилятора) помещение его значения по умолчанию в секцию .rodata исполняемого файла или сразу встраивание этого значения в код вместо переменной. Все переменные объявленные вне функций инициализированы нулём по умолчанию и живут в сегменте памяти BSS, который выделяется и заполняется нулями при запуске программы, его размер записан в исполняемом файле. Не const переменные сохраняют своё значение в сегменте памяти DATA исполняемого файла. Этот сегмент копируется в память компьютера при запуске программы. Все глобальные переменные живут в статической памяти (BSS/DATA/.rodata). Статическая память выделятся при старте программы, имеет постоянный размер и существует в течение всей жизни программы. Размещение переменных по сегментам статической памяти — это поведение на этапе компоновки, описанное в стандартных соглашениях (Application Binary Interface, ABI). Сводная таблица всех переменных из примера выше:

Переменная	Инициализация	Сегмент памяти	Видимость
int a;	Неявная (0)	BSS	Глобальная
static int b;	Неявная (0)	BSS	Файловая
int c = 30;	Явная (30)	DATA	Глобальная
const int d = 20;	Явная (20)	.rodata или inline	Файловая
int fa;	Мусор	стек	Блочная
int fb = 10;	Явная (10)	стек	Блочная
const int fc = 5;	Явная (5)	стек или inline	Блочная
static int fd;	Неявная (0)	BSS	Блочная
static int fe = 1;	Явная (1)	DATA	Блочная

Правила вывода типа для auto

auto по умолчанию создает копию без ссылок и квалификаторов (const, volatile) верхнего уровня. auto сохраняет низкоуровневые квалификаторы (касающиеся указываемых данных), но отбрасывает высокоуровневые (касающиеся самой переменной-указателя).

Пример:

int x = 42;
const int *p1 = &x; // нельзя менять данные, но можно указатель
int *const p2 = &x; // нельзя менять указатель, но можно менять данные
const int *const p3 = &x; // нельзя менять указатель, нельзя менять данные
const int &p4 = x; // ссылка на const int 

auto a1 = p1; // const int * - оставили const для данных
auto a2 = p2; // int * - убрали const для указателя
auto a3 = p3; // const int * - оставили const для данных, убрали const для указателя
auto a4 = p4; // int - убрали const, убрали ссылку

В итоге, правила для auto:

• указатели: сохраняют квалификаторы низкого уровня
• ссылки: отбрасывает ссылку, отбрасывает const

Что такое RAII?

Resource Acquisition Is Initialization — дословно «захват ресурса есть инициализация». В конструкторе захватываем ресурс, в деструкторе освобождаем.

Какие бывают умные указатели?

• std::shared_ptr — RAII указатель на объект со счётчиком ссылок. Копирование увеличивает счётчик ссылок, в деструкторе счётчик уменьшается. При достижении нуля освобождает память.
• std::weak_ptr — слабая ссылка на объект, управляемый std::shared_ptr. Не увеличивает счётчик ссылок. Для использования нужно преобразовать в std::shared_ptr с помощью метода lock(). Полезен, чтобы избежать циклических ссылок между std::shared_ptr.
• std::unique_ptr — указатель с исключительным владением объектом. Запрещено копирование, разрешено только перемещение. Для передачи владения используйте std::move. Имеет специализацию для массивов: std::unique_ptr<T[]>.

Почему лучше использовать std::make_shared и std::make_unique, когда возможно?

Во время вычисления параметров конструктора возможно исключение, которое приведёт к утечке памяти. Также std::make_shared выделяет память для объекта и контрольного блока за одну аллокацию. В конце концов, читать удобнее.

Что происходит при возникновении исключения.

Выполнение функции прерывается, идёт поиск подходящего catch. Сначала в текущей функции, потом идёт последовательно выход наверх по стеку. При выходе вызываются все деструкторы локальных объектов, которые покидают текущую область видимости. Если подходящий catch не найден, то std::terminate(). Если во время раскрутки стека вызовов происходит повторное исключение, то снова std::terminate().

Что происходит при возникновении исключения в конструкторе/деструкторе?

• Если исключение происходит в конструкторе, для уже созданных членов класса вызываются деструкторы, деструктор этого объекта не вызывается, а дальше всё как обычно
• Деструктор неявно объявлен как noexcept со стандарта C++11, поэтому любое исключение, покидающее деструктор вызывает std::terminate(). Также может возникнуть ситуация, если при обработке исключения в деструкторе во время раскрутки стека вызовов произойдёт исключение — то будет std::terminate()

Почему память выделенная new/malloc будет утечкой, а умный указатель корректно освободит память при вызове исключения?

Потому что происходит раскрутка стека и очистка локальных переменных, выделенных на стеке, плюс вызываются деструкторы этих переменных. Сырой указатель от new/malloc не имеет деструктора и выделен в куче.

В чём особенность placement new?

При использовании placement new деструктор нужно вызывать вручную. Правильный порядок действий:

// 1. Выделили память
void* memory = ::operator new(sizeof(MyClass));

// 2. Создали объект (placement new)
MyClass* obj = new (memory) MyClass();

// 3. Использовали объект
obj->method();

// 4. Вызвали деструктор
obj->~MyClass();

// 5. Освободили память
::operator delete(memory);

Что такое срез исключения? Когда происходит? Как избежать?

Это происходит когда мы пытаемся перехватить исключение по значению, когда тип исключения в catch-блоке является базовым к брошенному исключению, например вот так:

try {
  throw MyException(what, extended_data); // наследник std::exception
}
catch (std::exception e) { // тут происходит СРЕЗ
  // Значение extended_data утеряно
}

Поэтому лучший путь — это перехватывать исключение по константной ссылке.

try {
  throw MyException(what, extended_data); // наследник std::exception
}
catch (const std::exception &e) {
  // Сохраняется полная информация об исключении
}

Что происходит при бросании исключения из noexcept метода?

Немедленный вызов std::terminate() и аварийное завершение программы.

Сколько создаётся vtable и vptr в классах и экземплярах классов?

• vtable — создаётся во время компиляции одна для каждого полиморфного класса, хранится в статической памяти
• vptr — создаётся в конструкторе в одном экземпляре в каждом объекте полиморфного класса, хранится внутри объекта. Сначала vptr указывает на таблицу базового класса, потом уже текущего.

Что происходит при вызове виртуального метода в конструкторе?

В конструкторе таблица виртуальных методов (vtable) указывает на методы текущего класса, значит вызываются методы текущего класса, а не производного. Вызов чисто виртуального метода приведёт к неопределённому поведению или ошибке компиляции.

struct Base {
public:
    Base() {
       print(); // Вызывается Base::print()
    }

    virtual void print() { ... }
};

struct Derived : Base {
   void print() override { ... }
}

Что происходит при вызове виртуального метода в деструкторе?

То же самое, что в вопросе выше. Только в конструкторе производный класс ещё не построен, а в деструкторе производный класс уже разрушен.

Какие бывают касты в C++.

Целую заметку написал, не буду повторяться: Различные касты в C++.

Что такое семантика перемещения (move semantic)?

Механизм, который, начиная с C++11, позволяет эффективно передавать ресурсы между объектами без дорогостоящего копирования. Использование выглядит так:

std::vector<int> a;
a.resize(1000000); // выделяем много памяти
std::vector<int> b = std::move(a); // перемещаем данные, исходный объект в неопределённом состоянии

После выполнения кода объект b владеет данными, объект a находится в валидном, но неопределённом состоянии. Полезно знать, что std::move только преобразует тип в r-value ссылку и ничего никуда не перемещает, реальное перемещение выполняет конструктор перемещения или оператор перемещения.

Что такое RVO и NRVO

Это оптимизации компилятора под названием Copy elision (пропуск копий), которые позволяют избежать лишнего копирования/перемещения при возврате объектов из функций:

• RVO(Return Value Optimization) — оптимизация безымянного возвращаемого значения, гарантировано стандартом C++17:

HeavyObject create() {
   return HeavyObject();
}

• NRVO(Named Return Value Optimization) — оптимизация именованного возвращаемого значения, когда возвращается именованная локальная переменная. Обратите внимание — использование std::move при возврате значения ломает эту оптимизацию!

HeavyObject create() {
   HeavyObject a;
   return a;
}

Что такое и как использовать std::future/std::promise? В каких случаях std::future бросает ошибку?

future/promise — это механизм передачи данных или исключений между потоками. Одному std::promise соответствует один std::future.

• std::promise — устанавливает значение (set_value()) или исключение (set_exception()), которое извлекается с помощью std::future.
• std::future — предоставляет доступ к результату (get()), записанному через std::promise. Метод get() вызывает исключение, если std::promise уничтожен без установки значения или исключения. Повторный вызов get() также вызовет ошибку.

Пример для наглядности:

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

int main() {
  auto worker = [](auto p) {
    try {     
        p.set_value("Hello world!");
        // Делаем что-то вызывающее исключение
    }
    catch(...) {
        // Передаём исключение
        p.set_exception(std::current_exception());
    }
  };

  std::promise<std::string> promise;
  auto f = promise.get_future();

  // Передаём promise по значению в поток с помощью перемещения
  std::thread t(worker, std::move(promise));

  try {
     std::cout << f.get() << std::endl;
  } 
  catch (const std::exception &e) {
     std::cerr << "Exception : " << e.what() << std::endl;
  }

  t.join();
}

std::future можно использовать для получения значения только один раз и нельзя копировать, если хотите это изменить, создайте std::shared_future с помощью метода std::future::share() — этот класс лишён таких недостатков.

Что такое deadlock и как происходит?

Блокирование потоков в ожидании друг друга. Происходит, когда в потоке A блокируется мьютекс a, потом b. А в потоке B сначала мьютекс b, потом a. Исправляется использованием std::scoped_lock или одинаковым порядком блокирования мьютексов.

Зачем нужен std::shared_mutex?

Вместе с std::shared_lock и std::unique_lock std::shared_mutex обеспечивает множественный доступ (на чтение) при использовании std::shared_lock и эксклюзивный доступ (на запись) при использовании std::unique_lock соответственно.

Пример для наглядности:

std::shared_mutex mutex;
std::vector<int> data;

void write(int value) { 
    std::unique_lock lock(mutex); // эксклюзивная блокировка
    data.push_back(value);
}

int read(size_t index) {
    std::shared_lock lock(mutex); // разделяемая блокировка
    return data.at(index);
}

Зачем нужно указание memory_order в объектах типа std::atomic? Какие бывают memory_order?

Если вкратце, то memory_order позволяет контролировать модель памяти для атомарных операций. Модель памяти определяет, как операции чтения и записи памяти могут быть переупорядочены компилятором и процессором для оптимизации. Начиная от самой слабой гарантии std::memory_order_relaxed и заканчивая самой строгой std::memory_order_seq_cst (по умолчанию). Если хотите подробнее вникнуть в тему, то вот сорокаминутное видео с объяснением от разработчика из Яндекса:

Чем процесс отличается от потока?

Изолированностью в первую очередь. Процессы имеют свои ресурсы, потоки делят ресурсы одного процесса. Падение одного потока приводит к завершению всего процесса. Завершение процесса никак не затрагивает другие процессы.

Что будет если вызвать new с огромным куском памяти?

Произойдёт вызов исключения std::bad_alloc, можно использовать new (std::nothrow) если хочется получить nullptr в случае неудачи.

Как работает алгоритм std::remove/std::remove_if

Пробегаемся по контейнеру слева направо двумя итераторами:

• первый итератор (first) указывает на текущий элемент
• второй (result) указывает на позицию куда сохранять подходящие элементы.

Реализация алгоритма для наглядности:

template<typename ForwardIt, typename UnaryPredicate>
ForwardIt remove_if(ForwardIt first, ForwardIt last, UnaryPredicate p) {
    ForwardIt result = first;
    for (; first != last; ++first) {
        if (!p(*first)) {
            if (result != first) {
                *result = std::move(*first);
            }
            ++result;
        }
    }
    return result;
}

Какие бывают контейнеры STL. Устройство и сложность операций поиска/вставки/удаления.

• std::vector — выделяет непрерывный кусок памяти, если не хватает места, то выделяется бОльший кусок, старые данные копируются туда, доступ имеет сложность O(1), вставка в конец имеет амортизированную сложность O(1), вставка в начало/середину требует сдвига всех данных вправо и имеет сложность O(n). Эффективно использует кеш процессора. Имеет возможность доступа по индексу.
• std::list — двусвязный список, поиск O(n), доступ по индексу O(n), вставка O(1) при наличии итератора, удаление O(1) при наличии итератора, доступ к элементам по итератору.
• std::forward_list — односвязный список, аналогичен std::list, но занимает меньше памяти. Может вставлять/удалять только после известного элемента.
• std::deque — двусторонняя очередь, реализуется как массив указателей на блоки, доступ O(1), вставка/удаление с начала/конца O(1), в середине O(n).
• std::unordered_set/std::unordered_map — хеш-таблица из бакетов, поиск, вставка, удаление O(1) в среднем случае, O(n) в худшем (при коллизиях), элементы без сортировки.
• std::set/std::map — красно-черные деревья, поиск/вставка/удаление O(log n). Элементы отсортированы.
• std::array — аналог сишного массива фиксированного размера с плюшками STL в виде итераторов и деструктора
• std::span — интерфейс для работы с непрерывными последовательностями данных без владения этими данными
• std::string_view — аналог std::span для std::string, доступ к данным строки без владения

Что такое универсальная ссылка, что такое perfect forwarding?

Perfect forwarding — это способ передать аргумент в другую функцию точно так, как он был получен:

• lvalue остаётся lvalue
• rvalue остаётся rvalue
• const остаётся const

Выглядит так:

template<typename T>
void foo(T&&value) // T&& является универсальной ссылкой
{
    bar(std::forward<T>(value));
}

Тут есть важный нюанс для шаблонных классов, легко ошибиться:

template<typename T>
class A {
    void foo(T&&value) // это не универсальная ссылка
    {
        bar(std::forward<T>(value));
    }

    template<typename U>
    void foo2(U&&value) // а здесь всё работает правильно 
    {
        bar(std::forward<U>(value));
    }
}

Требований для perfect forwarding два:

1. Это должна быть шаблонная функция с универсальной ссылкой
2. использование std::forward для передачи параметров дальше

Почему так сделано? Очевидно, потому, что создатели C++ ненавидят людей и желают им всего плохого, а если без шуток, то, чтобы избежать проблем при инстанцировании шаблона класса ну и щепотка ненависти к людям, конечно. Кстати T&& становится универсальной ссылкой, только в контексте вывода параметров шаблона.

P.S. Благодарю создателей Markdown за синтаксис языка разметки, всё форматирование сделано с помощью него.