嵌入式八股文面试题（一）C语言部分

1. 变量/函数的声明和定义的区别？

（1）变量

        定义不仅告知编译器变量的类型和名字，还会分配内存空间。

int x = 10;  // 定义并初始化x
int x;   //同样是定义

         声明只是告诉编译器变量的名字和类型，但并不为它分配内存空间。使用extern来修饰。告诉编译器这个变量的定义在其他地方，这里使用此变量。

extern int x;  // 声明x是一个整型变量

（2）函数

        函数定义提供了函数的具体实现，它包括了函数的返回类型、函数名、参数类型以及函数体的内容。

int add(int a, int b) {
    return a + b;  // 函数体
}

        函数声明告知编译器函数的返回类型、函数名及其参数类型，但并不提供函数的具体实现。

int add(int a, int b);  // 声明add函数

 2. sizeof和strlen的区别？

（1） sizeof 是一个操作符（与<、>类似），而 strlen 是一个库函数（在#inlcude <string>中）。

（2）sizeof 的参数可以是任何数据类型或变量，而strlen 只能是以‘ \0 ’结尾的字符串作为参数。

（3）编译器在编译时就计算出了sizeof的结果，而strlen 函数必须要在运行时才会被计算出来，其核心是因为strlen 是通过遍历字符串，在遇到 ‘\0’ 就会结束（结果大小不包含‘\0’），而sizeof 则会将其包含在内计算大小。

char str[] = "Hello";
printf("sizeof(str) = %zu\n", sizeof(str));  // 输出6（包括'\0'）
printf("strlen(str) = %zu\n", strlen(str));  // 输出5（不包括'\0'）

 3. &的用法：引用和取地址。

（1）& 用作取地址符号：表示获取变量的内存地址。

int x = 10;
int *ptr = &x;  // 使用 & 获取 x 的地址，并赋给指针 ptr

printf("x 的地址：%p\n", (void*)&x);  // 输出 x 的内存地址

（2）& 用作引用符号：表示一个变量的引用，即该变量的别名。创建一个引用，引用是变量的别名，它不会创建新的内存空间，而是直接使用原变量的内存。

int x = 10;
int& ref = x;  // ref 是 x 的引用，两个变量共享相同的内存地址

ref = 20;  // 通过引用修改 x 的值
printf("x = %d\n", x);  // 输出 x = 20，引用修改了原变量

 4. static关键字。

        static关键字可以修饰变量和函数，对此有着不同给功能。static修饰的变量默认初始化值为0。

变量

（1）在函数内部定义的变量。

        当 static 用于函数内部的局部变量时，它表示该变量的生命周期改变。

        局部变量通常在每次函数调用时被创建并销毁，但使用 static 关键字后，局部变量在函数调用结束后不会销毁，而是保留其值，直到下一次函数调用时继续使用上一次的值。直到程序结束后销毁。

void count_calls() {
    static int count = 0;  // 静态变量，只初始化一次
    count++;
    printf("This function has been called %d times.\n", count);
}

int main() {
    count_calls();  // 输出: This function has been called 1 times.
    count_calls();  // 输出: This function has been called 2 times.
    return 0;
}

（2）在函数外部定义的变量。

        当 static 用于函数外部的变量或函数时，它限制了该变量或函数的作用域，使得它只能在当前文件中使用，无法被其他文件访问。对于被static修饰全局变量来说，其他文件无法通过 extern 来引用它。

函数

         当 static 用于函数时，它限制了该函数的作用域，使得它只能在当前文件中使用，无法被其他文件访问。（即只能在当前的C文件中使用，其他文件中无法调用该函数）

        注意：在多线程程序中，使用 static 变量时要小心，因为它们的值会在多个线程之间共享，可能会引发竞态条件。为了保证线程安全，通常需要使用同步机制（如互斥锁）来访问这些静态变量。

5. volatile关键字。

        在 C 和 C++ 中，volatile 是一个非常重要的关键字，它告诉编译器不要优化该变量的读取或写入操作。例如，减少不必要的变量读取或写入，以提高程序的效率。但是，对于某些变量，如硬件寄存器或多线程共享变量，编译器优化可能导致程序行为不符合预期。因此，volatile 被用来告诉编译器：不要对该变量进行优化，每次访问该变量时，都必须从内存中读取最新的值。

        场景：对硬件寄存器进行访问时，都要加上此关键字。

#define STATUS_REGISTER (volatile int*)0x40001000

int main() {
    int status = *STATUS_REGISTER;  // 硬件寄存器的读取，每次都要从内存重新读取
    // 其他代码
}

6. const关键字。 

        在 C 和 C++ 中，const 关键字用于声明常量或表示某个对象的值不能被修改。const 提供了一种有效的方式来增强程序的可读性、可维护性以及避免意外的修改。常见的有限制常量、指针、数组、函数参数等的修改性。

（1）常量

const int x = 10;  // x 是常量，值不能被修改
x = 20;  // 错误：无法修改常量变量 x

（2）指针

        常量指针：指向常量数据的指针，const 放在 * 之前，表示指向的数据是常量。

        作用：即通过这个指针你不能修改它所指向的数据，但指针本身可以指向其他内存位置。

const int *ptr = &x;  // ptr 是指向常量 int 的指针，不能通过 ptr 修改 x 的值
*ptr = 20;  // 错误：不能通过 ptr 修改值
ptr = &y;   // 合法：可以让 ptr 指向其他位置

        指针常量：指的是指针本身是常量，const 放在 * 之后，表示指针本身是常量。

        作用：即你不能改变指针指向的地址，但指针所指向的数据可以被修改。

int x = 5;
int y = 10;
int *const ptr = &x;  // ptr 是常量指针，指向 x

*ptr = 20;  // 合法：可以通过 ptr 修改 x 的值
ptr = &y;   // 错误：不能改变 ptr 的值（即不能让 ptr 指向 y）

        常量指针指向常量：既不允许修改指针的值（即指针常量），也不允许修改指针所指向的数据（即指向常量的数据）。

const int *const ptr;  // ptr 是常量指针，指向常量 int

（3）数组

        使用 const 可以确保数组中的元素在程序执行过程中保持不变。

const int arr[] = {1, 2, 3, 4};  // arr 中的元素是常量，不能修改
arr[0] = 10;  // 错误：不能修改 arr 中的元素

（4）函数参数

        在函数参数中使用 const，可以确保函数不会意外修改传入的参数，特别是对于指针或引用类型的参数。这有助于增加代码的可维护性和安全性。

void print(const int &x) {
    printf("%d", x);  // 不能修改 x
}

void foo(const int *ptr) {
    *ptr = 10;  // 错误：不能修改 ptr 指向的数据
}

7. inline关键字。 

        在 C/C++ 中，inline 关键字用于请求编译器将函数的代码插入到调用该函数的地方，而不是通过传统的函数调用机制（即通过栈保存返回地址、传递参数等）。它的目的是提高代码的执行效率，特别是对于那些调用频繁且函数体较小的函数。递归函数不能内联。

#include <iostream>

inline int square(int x) {
    return x * x;
}

int main() {
    int a = 5;
    int result = square(a);  // 在这里会将 square(a) 展开为 a * a
    std::cout << result << std::endl;  // 输出 25
    return 0;
}

        编译器会尽可能地将内联函数的代码嵌入到调用点。但是如果内联函数太复杂，编译器可能不会进行内联优化，尽管我们声明了 inline。编译器有最终决定权，可能会忽略 inline 关键字的请求。 

8. C中的 malloc 和C++中的 new 有什么区别？

在 C 和 C++ 中，malloc 和 new 都用于动态内存分配，但它们有一些重要的区别。

（1）new、delete是操作符，可以重载，只能在C++中使用。而 malloc、函数 free是函数，在C++和C中都可以使用，在stdlib头文件中。

（2）new 在 C++ 中它不仅分配内存，还会调用类的构造函数，delete调用类的析构函数（如果是类类型的话）。而 malloc 和 free 函数仅仅是分配内存和释放内存，并不执行构造和析构函数。

（3）new、delete返回的是某种数据类型的指针，而malloc和free返回的是void类型的指针（因此需要强制类型转换）。

（4）malloc申请的内存要使用free来释放，new申请的内存要使用delete来释放，两者不能混用，因为底层实现原理不同。

（5）malloc申请内存失败时会返回NULL，所以判断返回值来判断内存是否申请成功。而new申请内存失败时会抛出异常。

int* arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));  // 分配 10 个整数的空间
free(arr);  // 释放内存


int* arr = new int[10];  // 分配 10 个整数的数组，自动初始化
delete[] arr;            // 释放数组，自动调用析构函数

9. 程序中的内存分配方式。

（1）栈区：对于所有的局部变量（除了局部静态变量），都存储在栈区中，栈内存的分配和释放由编译器自动管理，不需要程序员显式调用。

（2）堆区：使用malloc/new创建的内存都存储在堆区，需要程序员手动创建和释放。如果分配的内存，使用完成后就必须要记得释放，不然会造成内存泄漏的风险！

（3）静态存储区：用于存放全局变量和静态变量，内存在程序编译时就已经分配好了，这块内存在程序整个运行期间都存在。

 10. 什么是野指针，如何避免？

        野指针（Dangling Pointer）是指指向已经被释放或未初始化的内存位置的指针。野指针是指针操作中常见的错误之一，它会导致程序崩溃、内存泄漏或者不预期的行为。平时使用时一定要避免野指针的情况。如下所示：

// 1. 使用销毁的指针
int *ptr = new int(10);  // 在堆上分配内存
delete ptr;               // 释放内存
// ptr 现在是一个野指针，因为它指向已释放的内存

//第二种情况：
int* createPointer() {
    int x = 10;  // 局部变量 x
    return &x;  // 返回指向 x 的指针
}
int main() {
    int* p = createPointer();  // p 指向局部变量 x
    printf("%d\n", *p);  // 试图访问已超出作用范围的变量
    return 0;
}
/* 原因：局部变量在函数执行完毕后销毁，指针p获取到的是销毁空间的变量，会导致崩溃*/

// 2. 使用未初始化的指针
int *ptr;  // 未初始化的指针
*ptr = 10; // 访问未初始化的指针，导致未定义行为

// 3. 超过作用域。

野指针的产生原因及解决办法如下：

（1）指针变量未初始化。解决办法：指针声明时初始化，可以是具体位置，也可以指向NULL。

int *ptr = NULL;  // C语言中使用NULL初始化

（2）使用被free或delete释放的指针。解决办法：指针指向的内存空间被释放后，应该指向NULL。

int *p=(int *)malloc(sizeof(int));
free(p);

p=NULL;

（3）指针越界。解决办法：在变量的作用域结束前释放掉变量的地址空间并且指向NULL。

 11. 什么是函数指针和指针函数？

（1）函数指针

        是指向函数的指针。可以通过它调用函数，使得程序在运行时能够动态地决定调用哪个函数。这在实现回调函数、函数数组等情况下非常有用。

定义一个函数指针：

返回类型 (*指针变量名)(参数类型1, 参数类型2, ...);

使用举例： 

#include <iostream>

// 定义一个普通函数
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    // 声明一个指向函数的指针
    int (*func_ptr)(int, int);
    
    // 将指针指向 add 函数
    func_ptr = &add;
    
    // 通过函数指针调用函数
    int result = func_ptr(3, 4);  // 调用 add(3, 4)
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;  // 输出 7
    
    return 0;
}

（2）指针函数

        指返回指针的函数。它是一个普通的函数，只是返回值类型是一个指针。

返回类型 *函数名(参数类型1, 参数类型2, ...);

12. 指针的大小。

        在 C/C++ 中，指针的大小是由编译器和系统架构决定的。指针本身的大小与它所指向的数据类型（int、double、char 等）无关，而是与计算机的位数有关。在 32 位系统中，指针通常占 4 字节（32 位），在 64 位系统中，指针通常占 8 字节（64 位）。

13. 内存对齐。

        内存对齐指计算机中数据在内存中的存储方式，确保数据结构的成员按照特定规则排列，以提高访问效率。 

（1）为什么要进行内存对齐？

        CPU访问内存时，如果数据地址是对齐的（比如4字节对齐），那么访问速度会更快。如果数据没有对齐，可能需要多次访问内存，甚至导致错误。尤其是在不同的硬件平台上，对齐要求可能不同，所以编译器会自动进行内存对齐优化。

（2）对齐规则。

       通常，每个数据类型的对齐要求是其自身的大小。比如，int通常是4字节，所以它需要4字节对齐；double是8字节，需要8字节对齐。结构体的对齐要求则是其成员中最大的对齐值。结构体的总大小需要是对齐值的整数倍，所以在成员之间可能会插入填充字节。

（3）如何减少填充？

        对于结构体而言，调整成员顺序可以优化结构体大小。如下所示：

//字节大小为24
struct MyStruct {
    int a;      // 4 字节，对齐值 4
    double b;   // 8 字节，对齐值 8
    char c;     // 1 字节，对齐值 1
};

//字节大小为16
struct OptimizedStruct {
    double b;   // 8 字节，对齐值 8
    int a;      // 4 字节，对齐值 4
    char c;     // 1 字节，对齐值 1
};

14. 结构体和联合体中成员所占内存大小。 

（1）内存分配。

        结构体中的每个成员都有自己的内存空间，所有成员的内存是按顺序排列的。

        联合体中的所有成员共享同一块内存空间。

（2）内存所占大小。

        结构体的总大小是各个成员大小的总和（可能会有填充字节以保证字节对齐，结构体的对齐方式通常由其最大成员的对齐要求决定。）。

        联合体无论定义了多少个成员，内存大小总是等于其最大成员的大小。

举例：

#include <iostream>
//结构体
struct MyStruct { 
    int a;      // 4 bytes
    double b;   // 8 bytes
    char c;     // 1 byte
};

struct MyStruct2 { 
    int a;      // 4 bytes
    char c;     // 1 byte
    double b;   // 8 bytes    
};

//联合体
union MyUnion {
    int a;      // 4 bytes
    double b;   // 8 bytes
    char c;     // 1 byte
};

int main() {
    MyStruct  s1 = {1, 3.14, 'A'};
    MyStruct2 s2 = {1, 3.14, 'A'};
    MyUnion u={10，2.2，'C'};

    std::cout << "Size of struct: " << sizeof(s1) << " bytes" << std::endl;  //大小为24字节。
    std::cout << "Size of struct: " << sizeof(s2) << " bytes" << std::endl;  //大小为16字节。
    std::cout << "Size of union: " << sizeof(u) << " bytes" << std::endl;   //大小为8字节。
    return 0;
}

结构体大小分析：以使得结构体的总大小是 8最大成员所占字节的倍数。

• int a 占用 4 字节。插入 4 字节填充，使 double b 从 8 字节边界开始。

• double b 占用 8 字节。

• char c 占用 1 字节。插入 7 字节填充，使结构体总大小为 8 的倍数。 

• 大小：4+4+8+1+7=24。

15. 数组和链表的区别。

（1）数组的地址空间是连续的，而链表的地址空间不是连续的。

（2）数组大小固定，而链表的大小不固定。

（3）数组的访问速度更快。数组直接可以使用下标进行访问，而链表则需要遍历访问。

（4）链表增删改查的速度更快。

（5）数组适用于数据量固定或变化不大，且需要频繁随机访问的场景。链表适合需要频繁插入和删除，不需要随机访问的场景。

16. define和typedef的区别。 

（1）#define 是 C/C++ 中的预处理指令，它在编译之前由预处理器处理，进行简单的文本替换。适合定义常量、宏或代码片段，但不安全且难以调试。

●特点：不进行类型错误检查，只是简单的文本替换。可以定义常量、函数宏或代码片段。

#define PI 3.14159          // 定义常量
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))  // 定义函数宏

int main() {
    double radius = 5.0;
    double area = PI * radius * radius;  // 替换为 3.14159 * radius * radius
    int max_value = MAX(10, 20);         // 替换为 ((10) > (20) ? (10) : (20))
    return 0;
}

（2）typedef 是 C/C++ 中的关键字，用于为现有类型定义别名。类型安全且易于调试，适合提高代码可读性和维护性。

●特点：进行类型检查，是类型安全的。只能用于定义类型别名，不能定义常量或宏。

typedef unsigned int uint;  // 定义 uint 为 unsigned int 的别名
typedef int* IntPtr;        // 定义 IntPtr 为 int* 的别名

int main() {
    uint x = 10;            // 等价于 unsigned int x = 10;
    IntPtr p = &x;          // 等价于 int* p = &x;
    return 0;
}

       如果需要类型安全或定义复杂类型别名，优先使用 typedef；如果需要定义常量或宏函数，可以使用 #define。

17. 程序分为几个段？

         通常，程序分为代码段（text）、数据段（data）、BSS段、堆（heap）和栈。具体详情查看本文内容第二章节。

●代码段：存储可执行指令（编译后的机器码）。

●数据段：通常包括已初始化的全局变量和静态变量。

●BSS段：存放未初始化的全局变量和静态变量，或者初始化为0的变量。 

●堆：动态分配的内存（如 malloc）。

●栈：局部变量。

18. 栈和队列的区别？

（1）核心规则

 

（2）基本操作

 （3）结构特点

（4）示例

19. c文件是如何转为可执行文件的？

具体详情查看文章：Linux环境下的编译和调试。