C++ 程式設計師筆試題精選匯總：位運算、引用語意、const 正確性

前言

C++ 筆試題旨在短時間內檢測候選人對**語言核心機制、底層運作、現代最佳實踐**的掌握深度。本文精選高頻考題：位運算計數、引用與指標差異、const 引用語意、函式參數傳遞策略，附帶標準答案、評分細則、常見錯誤與延伸思考。

一、位運算經典：計算整數二進制中 1 的個數

題目

int countOnes(int x) {
    int count = 0;
    while (x) {
        count++;
        x = x & (x - 1);
    }
    return count;
}
// 輸入 x = 9999，輸出？

答案：8

原理： x & (x - 1) 能**清除 x 最低位的 1**。迴圈執行次數即 1 的個數 (Brian Kernighan 演算法)，時間複雜度 O(1 的個數) 優於 O(位寬)。

驗證： 9999₁₀ = 10011100001111₂，共 8 個 1。

延伸：現代 C++ 寫法

#include  // C++20
int count = std::popcount(static_cast(x)); // 硬體指令 POPCNT，單指令完成
// 或編譯器內建
int count = __builtin_popcount(x); // GCC/Clang/MSVC 支援

二、引用 (Reference) 核心語意與宣告規則

題目：什麼是引用？宣告與使用需注意哪些問題？

標準答案要點

1. 定義： 引用是**已存在物件的別名**，非新物件，**不佔儲存空間** (編譯器內部通常以指標實現，但語義上無指標算術)。
2. 初始化強制： 宣告時**必須初始化**，且**不可重新綁定** (綁定後終生指向同一物件)。
3. 非型別： 引用本身不是型別，無法建立引用陣列、引用指標、引用的引用 (C++ 標準禁止，但 using Ref = int&; 別名合法)。
4. 操作透明： 對引用的任何操作 (賦值、取址、sizeof、型別轉換) 直接作用於被引用物件。

程式碼示範

int a = 10;
int& ref = a;      // 正確：初始化綁定 a
// int& ref2;      // 錯誤：未初始化
// int& ref3 = 10; // 錯誤：非常數引用不能綁定暫時物件
const int& cref = 10; // 正確：const 引用延長暫時物件壽命

ref = 20;          // a 變為 20
int b = 30;
ref = b;           // 賦值操作：a = 30，而非 ref 綁定 b！
// int& ref4 = ref; // 合法：ref4 也綁定 a (引用的引用透過 typedef/using 間接實現)

三、引用作為函式參數的三大特點

效能註記

對於小型型別 (int, double, 指標大小)，**值傳遞通常比引用更快** (寄存器傳遞、無間接存取)。引用優勢在於**大型物件、不可複製型別、需修改實參、多型基類參數**。

四、const 引用：何時使用、為何關鍵

題目：何時需要「常引用」？

答案：

當**同時滿足**以下條件：

1. 需避免大型物件複製開銷 (效能)。
2. 函式**不應修改**實參 (語意/安全)。
3. 需接受**暫時物件/字面常量/右值** (通用性)。

程式碼示範

void printString(const std::string& s) { // 接受 lvalue、rvalue、字面常量
    std::cout << s << '\n';
}

std::string foo() { return "temp"; }

printString("hello world");        // 字面常量 → 暫時 std::string → 綁定 const&
printString(foo());                // 函式返回右值 → 綁定 const&
printString(std::string("temp"));  // 顯式暫時物件 → 綁定 const&

// 非 const 引用無法綁定以上三者 → 編譯錯誤
// void bad(std::string& s); bad("hello"); // Error

最佳實踐：參數傳遞決策樹 (C++11/14/17/20)

// 1. 需修改實參 → 非 const 左值引用 (T&)
// 2. 不修改、型別小 (≤ 2*sizeof(void*)) 且可複製 → 值傳遞 (T)
// 3. 不修改、型別大或不可複製 → const 左值引用 (const T&)
// 4. 需轉移所有權 (C++11) → 右值引用 (T&&) 或 by-value + std::move
// 5. 萬能轉發模板 → 轉發引用 (T&&) + std::forward

五、常見筆試陷阱題與解析

陷阱 1：引用作為返回值

int& bad() {
    int x = 10;
    return x; // 錯誤：返回區域變數引用 → 懸空引用
}

int& good() {
    static int x = 10; // 靜態儲存期
    return x; // 正確
}

陷阱 2：條件運算子返回引用

int a = 1, b = 2;
(int&) (true ? a : b) = 10; // C++ 允許條件運算子返回左值引用
// a 變為 10

陷阱 3：const 引用綁定暫時物件壽命延長

const std::string& ref = std::string("temp"); // 暫時物件壽命延長至 ref 作用域結束
// 但：
const std::string& ref2 = foo(); // foo() 返回值 (右值) 同樣延長
// 然而：
const std::string& ref3 = getStringRef(); // 若 foo 返回 const std::string&，不延長！

六、筆試高分策略

1. 碼寫在紙上/白板： 無 IDE 補全，練習手寫標準庫介面、const 正確性、模板語法。
2. 邊寫邊講： 面試官看重思維過程，「這裡用 const& 是因為...」、「這裡需檢查 nullptr 因為...」。
3. 標註複雜度與 UB： 主動說出時間/空間複雜度、潛在未定義行為、例外安全等級。
4. 現代 C++ 加分： 能自然使用 auto, nullptr, constexpr, std::move, std::forward, string_view, span, optional, variant、概念約束。

結語

C++ 筆試題看似考語法細節，實考**語言設計哲學內化程度**。《Effective C++》條款 1-3 (視 C++ 為語言聯邦、優先用 const/reference、理解物件生命週期) 是所有筆試題的底層邏輯。精準掌握「位運算技巧、引用/指標/值傳遞三選一決策、const 正確性、暫時物件壽命延長、RAII 資源管理」，並能手寫無誤的工業級程式碼片段，即可在筆試中脫穎而出。