C++操作系统与网络编程（针对特定岗位）

C++操作系统与网络编程（特定岗位）

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如果你应聘的岗位涉及基础开发、网络编程或高性能计算，这部分内容会是重点。

1. 操作系统
*问题类型：

• 进程间通信（IPC）的方式（管道、消息队列、共享内存、信号量、信号）？

  1. 管道（Pipe）

     • 匿名管道：用于父子进程通信

       int fd[2];
       pipe(fd);  // fd[0]读端, fd[1]写端
       if (fork() == 0) { /* 子进程 */ write(fd[1], data, size); }
       else { /* 父进程 */ read(fd[0], buffer, size); }
       

     • 命名管道（FIFO）：无关进程通信

       mkfifo /tmp/myfifo  # 终端创建
       

       int fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);
       write(fd, data, size);
       

  2. 消息队列（Message Queue）

     #include <sys/msg.h>
     struct msgbuf { long mtype; char mtext[100]; };
     int msqid = msgget(IPC_PRIVATE, 0666);
     msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
     msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 1, 0);
     

  3. 共享内存（Shared Memory）

     #include <sys/shm.h>
     int shmid = shmget(IPC_PRIVATE, size, 0666);
     char* shm = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
     memcpy(shm, data, size);  // 进程间共享
     shmdt(shm);
     

  4. 信号量（Semaphore）

     #include <sys/sem.h>
     int semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);
     semctl(semid, 0, SETVAL, 1);  // 初始值=1
     struct sembuf op = {0, -1, 0};  // P操作
     semop(semid, &op, 1);
     

  5. 信号（Signal）

     #include <csignal>
     signal(SIGUSR1, handler);  // 注册处理器
     kill(pid, SIGUSR1);        // 向进程发信号 
     

• 线程同步机制（互斥量、信号量、读写锁、条件变量）？

  1. 互斥量（Mutex）

     #include <mutex>
     std::mutex mtx;
     mtx.lock();
     // 临界区
     mtx.unlock();
     

  2. 信号量（Semaphore） (C++20)

     #include <semaphore>
     std::counting_semaphore<1> sem(1);  // 二元信号量
     sem.acquire();  // P操作
     // 临界区
     sem.release();  // V操作
     

  3. 读写锁（Shared Mutex）

     #include <shared_mutex>
     std::shared_mutex rw_lock;
     // 写锁（独占）
     { std::lock_guard<std::shared_mutex> lock(rw_lock); }
     // 读锁（共享）
     { std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock); }
     

  4. 条件变量（Condition Variable）

     #include <condition_variable>
     std::mutex mtx;
     std::condition_variable cv;
     // 线程A：等待条件
     std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
     cv.wait(lock, []{ return condition; });
     // 线程B：通知条件满足
     cv.notify_all();
     

• 虚拟内存、物理内存？

  特性	虚拟内存	物理内存
  本质	进程看到的连续地址空间	实际的 RAM 硬件
  管理	操作系统通过 MMU 映射	直接由内存控制器管理
  大小	通常远大于物理内存（如 64TB）	受硬件限制（如 32GB）
  碎片处理	无需连续物理块	需要连续物理块
  C++ 体现	char *p = new char[1e9]; 可分配	malloc 实际占用物理页
  交换机制	页面可换出到磁盘	始终驻留 RAM
  访问速度	依赖TLB/页表命中	直接访问（约 100ns）

  映射关系：

  虚拟地址 → MMU（页表查询）→ 物理地址
  

  • 页错误（Page Fault）：当访问未映射的虚拟页时触发，操作系统介入处理

  C++ 代码验证内存地址：

  #include <iostream>
  int main() {int x;std::cout << "虚拟地址: " << &x << std::endl;// 物理地址需通过操作系统接口获取（如Linux的 /proc/pid/pagemap）
  }
  

2. 网络编程
*问题类型：

• TCP/IP 协议栈的五层/层模型？

  层级	功能	关键协议/设备
  物理层	传输比特流，定义物理设备标准（电压、接口类型）	网线、光纤、中继器
  数据链路层	帧格式化、错误检测/纠正，控制物理介质访问	以太网（Ethernet）、交换机
  网络层	路由寻址、IP分组转发，管理跨网络主机通信	IP、ICMP、路由器
  传输层	提供端到端可靠/不可靠传输，流量控制，端口寻址	TCP、UDP
  应用层	面向应用程序的数据封装与解析	HTTP、FTP、DNS

• TCP 和 UDP 的区别、特点和适用场景？

  特性	TCP	UDP
  连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
  可靠性	可靠（确认重传、有序交付）	不可靠（可能丢包、乱序）
  速度	慢（拥塞控制、流量控制）	快（无控制开销）
  头部开销	20~60字节	8字节
  适用场景	网页浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件	视频会议、在线游戏、DNS查询

• TCP 交互流程和四次挥手过程？

  1. 第一次挥手：主动关闭方发送FIN报文，进入FIN_WAIT_1状态。
  2. 第二次挥手：被动关闭方回复ACK报文，进入CLOSE_WAIT状态；主动方收到后进入FIN_WAIT_2。
  3. 第三次挥手：被动方处理完数据后发送FIN报文，进入LAST_ACK状态。
  4. 第四次挥手：主动方回复ACK报文，进入TIME_WAIT状态；被动方收到后关闭连接。
     为什么需要四次？
     TCP是全双工通信，需独立关闭两个方向的数据流（如：A关闭发送后，B仍可发送剩余数据）。

• TIME_WAIT状态？

  • 作用：
    • 保证被动关闭方能正确关闭（若ACK丢失，可重传FIN）。
    • 防止历史报文干扰新连接（等待2MSL使旧报文消亡）。
  • 持续时间：2MSL（MSL通常30秒，共60秒）。
  • 优化方法：
    • 开启 tcp_tw_reuse + tcp_timestamps（复用TIME_WAIT连接）。
    • 设置 SO_LINGER（强制跳过TIME_WAIT，慎用）。

• 阻塞 IO、非阻塞 IO、多路复用 IO (select, poll, epoll) 的区别和优缺点？

  模型	工作机制	优点	缺点
  阻塞IO	调用后线程挂起，直到数据就绪	编程简单	并发能力差
  非阻塞IO	立即返回状态，需轮询检查就绪	避免线程阻塞	轮询消耗CPU
  多路复用IO	单线程监听多个fd（select/poll/epoll）	高并发、资源占用少	编程复杂
  异步IO	内核完成操作后回调通知	无等待开销	兼容性差（Linux支持弱）

  多路复用实现对比：

  • select/poll：O(n)遍历所有fd，支持fd数少（默认1024）。
  • epoll：O(1)事件通知，支持海量fd（>10万），边缘触发（ET）性能更高。

• epoll的工作模式（水平触发 LT、触发 ET）？

  模式	触发条件	编程要求	典型场景
  水平触发LT	fd就绪时持续通知，直到事件处理	简单（不易丢事件）	默认模式，通用场景
  边缘触发ET	fd状态变化时仅通知一次	严格（需循环读/写）	高性能服务器

  ET模式注意事项：

  • 需循环读写直到返回EAGAIN错误，否则会丢失后续事件。
  • 非阻塞fd必需，避免单次未处理完导致线程阻塞。

• 常见的网络编程模型（单线程、多进程、多线程、Reactor/Proactor）？

  1. 单线程：
     • 所有操作串行执行（如Redis主线程）。
     • 简单但无法利用多核，吞吐量低。
  2. 多进程/多线程：
     • 每个连接独立进程/线程（如Apache）。
     • 并发能力强，但资源消耗大，上下文切换开销高。
  3. Reactor模式：
     • 核心：事件驱动 + 多路复用。
     • 分工：
       • MainReactor：处理新连接（单线程）。
       • SubReactor：处理IO事件（多线程）。
     • 应用：Netty、Nginx。
  4. Proactor模式：
     • 异步IO + 回调通知（如Windows IOCP）。
       耗大，上下文切换开销高。
  5. Reactor模式：
     • 核心：事件驱动 + 多路复用。
     • 分工：
       • MainReactor：处理新连接（单线程）。
       • SubReactor：处理IO事件（多线程）。
     • 应用：Netty、Nginx。
  6. Proactor模式：
     • 异步IO + 回调通知（如Windows IOCP）。
     • 性能高但Linux支持弱。