【C++八股文】操作系统篇

阻塞IO与非阻塞IO

• ​阻塞IO​：文件描述符处于阻塞模式时，读写操作会一直等待直到完成。

• ​非阻塞IO​：文件描述符处于非阻塞模式时，读写操作立即返回，若数据未就绪则返回错误。

同步IO与异步IO

• ​同步IO​：

• 用户线程主动发起IO请求并等待完成。

• ​通知事件​：IO就绪（如select/poll/epoll）。

• ​数据拷贝​：由用户线程完成。

• ​异步IO​：

• 用户线程发起IO请求后立即返回，内核负责完成IO操作。

• ​通知事件​：IO完成（如Linux的aio_*接口）。

• ​数据拷贝​：由内核完成。

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事件处理模式

1. ​Reactor模式​

• 主线程监听文件描述符事件（如读/写就绪）。

• 事件触发后，将事件分发到工作线程处理。

• ​适用场景​：同步IO模型（如epoll）。

2. ​Proactor模式​

• 主线程直接处理IO操作（内核完成数据读写）。

• 工作线程仅处理业务逻辑。

• ​适用场景​：异步IO模型（如Windows的IOCP）。

Reactor模式工作流程

1. 主线程注册socket的读就绪事件到epoll。

2. 主线程调用epoll_wait等待事件。

3. 数据到达时，epoll_wait触发读事件，主线程将socket加入请求队列。

4. 工作线程读取数据并处理请求，注册socket的写就绪事件。

5. 数据处理完成后，主线程调用epoll_wait等待写事件。

6. 写事件触发后，主线程将socket加入写队列。

7. 工作线程写入响应数据。

并发模式

1. ​半同步半异步模式​

• ​主线程​：处理IO事件（Reactor模式），将请求封装为任务对象插入队列。

• ​工作线程​：从队列取出任务并处理业务逻辑。

• ​特点​：主线程负责IO，工作线程负责计算，需通过锁保护共享队列。

• ​潜在问题​：主线程与工作线程共享请求队列需加锁；工作线程较少时可能产生任务堆积。

2. ​领导者-追随者模式​

• 线程池中有一个领导者线程负责监听事件，其他线程为追随者。

• 领导者处理事件后变为工作者，原工作者退化为追随者。

• ​优势​：减少线程切换开销，适用于高并发场景。

虚拟地址空间

• ​作用​：通过MMU页表实现进程地址隔离，保护物理内存。

• ​映射机制​：虚拟地址→物理地址的动态映射，支持内存保护和共享。

进程与线程

进程

• ​定义​：资源分配的基本单位，包含代码段、数据段、PCB（进程控制块）。

• ​状态​：创建、就绪、运行、阻塞、终止。

• ​通信​：管道、信号、共享内存、消息队列、Socket等。

线程

• ​定义​：CPU调度的基本单位，共享进程资源（内存、文件描述符）。

• ​优势​：上下文切换成本低，通信高效（共享内存）。

• ​资源独享​：栈空间、寄存器、线程ID、errno变量。

进程间通信（IPC）

1. ​管道（Pipe）​​：半双工，仅限有血缘关系进程。

2. ​FIFO（命名管道）​​：支持无血缘关系进程。

3. ​共享内存​：直接映射物理内存，高效通信。

4. ​信号（Signal）​​：异步通知机制（如SIGKILL、SIGSEGV）。

5. ​消息队列​：消息传递，支持优先级。

6. ​信号量（Semaphore）​​：同步与互斥。

7. ​Socket​：跨网络通信（TCP/IP协议）。

线程同步机制

1. ​互斥锁（Mutex）​​：保护临界区。

2. ​读写锁（RWLock）​​：允许多读单写。

3. ​条件变量（Condition Variable）​​：线程间同步等待。

4. ​自旋锁（Spinlock）​​：忙等待锁，适用于短临界区。

线程共享与独享资源

• ​共享​：

• 内存地址空间、文件描述符、信号处理函数、当前工作目录。

• ​独享​：

• 线程栈、寄存器、线程ID、errno、信号屏蔽字。

进程调度

• ​调度算法​：

a. 先来先服务（FCFS）

b. 短作业优先（SJF）

c. 优先级调度

d. 时间片轮转（RR）

e. 高响应比优先（HRRN）

网络编程基础

Socket函数

• ​服务端​：socket() → bind() → listen() → accept()

• ​客户端​：socket() → connect()

IO模型

1. ​阻塞IO​：默认行为，等待数据就绪。

2. ​非阻塞IO​：立即返回，需轮询。

3. ​IO多路复用​：select/poll/epoll（高效监听多socket）。

4. ​信号驱动IO​：通过信号通知数据就绪。

5. ​异步IO​：内核完成IO后通知用户。

epoll细节

• ​水平触发（LT）​​：缓冲区有数据即触发，适合简单场景。

• ​边沿触发（ET）​​：仅在数据到达时触发一次，需配合非阻塞IO使用。

其他要点

• ​死锁​：需破坏四个必要条件（互斥、占有并等待、无抢占、循环等待）。

• ​僵尸进程​：子进程退出后未被waitpid回收。

• ​孤儿进程​：父进程退出后被init接管。