C++/操作系统
知识点
C++基础和数据结构
共享内存是速度最快的IPC方式，因为进程可以直接读写内存，无需内核介入。
死锁 (Deadlock)：
指两个或多个线程相互等待对方持有的资源，导致所有线程都无法继续执行的状态。产生死锁必须同时满足以下四个必要条件：
互斥：一个资源每次只能被一个线程使用。
请求与保持：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
不剥夺：线程已获得的资源，在未使用完之前，不能被强行剥夺。
循环等待：若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
操作系统和Linux应用
虚拟内存 (Virtual Memory)：
- 是什么：为每个进程提供一个统一的、连续的、独立的虚拟地址空间（如32位系统是4GB）。这个空间是对物理内存和磁盘空间的抽象。
- 核心机制：通过内存管理单元（MMU） 和页表（Page Table） 将进程使用的虚拟地址映射到物理内存的实际地址（物理帧）或磁盘上的交换空间（Swap Space）。
- 分页机制：虚拟内存和物理内存都被分割成固定大小的块。虚拟内存的块叫页（Page），物理内存的块叫页框（Page Frame）。当进程访问一个虚拟地址时，MMU通过查页表找到对应的物理页框。如果该页不在物理内存中，则触发一个缺页中断（Page Fault），由操作系统负责从磁盘将其调入内存。
进程内存布局：一个进程的虚拟地址空间通常被划分为以下几个经典区域：
- 代码段（Text Segment）：存放程序的机器指令，只读。
- 数据段（Data Segment）：存放已初始化的全局变量和静态变量。
- BSS段（BSS Segment）：存放未初始化的全局变量和静态变量。该区域在程序开始执行前会被操作系统自动初始化为零。
- 堆（Heap）：用于动态内存分配（如malloc/new）。空间从低地址向高地址增长。
- 栈（Stack）：用于存放局部变量、函数参数、返回值地址等。空间从高地址向低地址增长。
- 内核空间：地址空间的顶部通常为内核保留，用于运行操作系统内核。
| 进程 | 线程 | |
|---|---|---|
| 基本定义 | 系统中资源分配的基本单位。是程度执行的示例，拥有独立的资源和空间。 | CPU调度的基本单位。是进程内部的一个执行流，是进程内的一个实体。 |
| 创建/销毁 | 创建慢、销毁慢，需要为其分配独立的空间。 | 创建快、销毁快，共享进程空间，仅有少量需要单独分配。 |
| 资源分配 | 拥有独立的系统资源，例如：内存地址、I/O设备、文件等。 | 共享所属进程的全部资源，例如：全局变量、堆、打开的文件等。仅拥有少量独立资源：栈空间、寄存器状态、程序计数器等。 |
| 独立性 | 独立性强。一个进程崩溃后一般不会影响到其余进程 | 独立性弱。一个线程崩溃后往往会导致所属进程崩溃。 |
| 切换开销 | 开销大、速度慢。需要切换内存地址空间、内存栈以及上下文，需要内核介入，容易导致CPU高速缓存（Cache）失效。 | 开销小、速度快。不需要切换进程资源，仅需要切换少量线程资源，例如：栈、寄存器等。 |
| 通信机制 | 复杂。需要程序间进程通信机制（IPC），例如：管道、记名管道、消息队列、信号量、共享内存、互斥量、条件变量等。 | 简单。由于共享所属进程的全局变量和内存，因此可以直接读写。但是要配合互斥锁、信号量等同步机制，避免竞态条件 |
| 安全性 | 高。进程间无法直接修改对方数据。 | 低。同一进程下的线程共享全局变量及地址，容易误删除、误修改。 |
| 鲁棒性 | 高。进程间相对独立。 | 低。同一进程下的线程可以相互影响。 |
| 分布性 | 适用于多机分布式。 | 适用于多核多线程。 |
| 类比 | 一间工程。拥有自己独立的土地（内存空间）、生成资料（数据、代码）、工人（线程），不同工厂间相对独立。 | 工厂内的员工。共享工厂内资源，相互协同完成任务。 |
线程共享的内存资源
| 资源类型 | 描述 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 代码段 (Text Segment) | 存储程序的可执行指令 | 所有线程执行相同的代码 |
| 数据段 (Data Segment) | 存储已初始化的全局变量和静态变量 | 需要同步机制保护 |
| BSS段 (BSS Segment) | 存储未初始化的全局变量和静态变量 | 需要同步机制保护 |
| 堆空间 (Heap) | 动态分配的内存区域 (malloc, new 等) | 需要同步机制保护 |
| 打开的文件描述符 | 进程打开的文件、套接字等 | 需要同步机制保护访问 |
线程的私有资源
| 资源类型 | 描述 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 栈空间 (Stack) | 存储函数调用的局部变量、参数、返回地址等 | 每个线程有独立栈，不可被其他线程直接访问 |
| 寄存器状态 | 程序计数器(PC)、栈指针(SP)等CPU寄存器值 | 线程切换时需要保存和恢复 |
| 线程局部存储 (TLS) | 使用 __thread 或 thread_local 声明的变量 | 每个线程有该变量的独立副本 |
| 线程ID | 操作系统或线程库分配给线程的唯一标识符 | 用于区分不同线程 |
| 信号掩码 | 线程对信号的阻塞设置 | 每个线程可以独立设置信号处理 |
| 调度优先级 | 线程的调度策略和优先级 | 可独立于进程设置 |
| 错误状态变量 | 如 errno (通常通过TLS实现) | 避免一个线程的错误状态影响其他线程 |
线程共享的内存资源
| 内存区域 | 是否被线程共享 | 说明 |
|---|---|---|
| 代码段 (Text Segment) | 是 | 存储程序的二进制指令。所有线程执行相同的代码（虽然可能在不同的执行点）。 |
| 数据段 (Data Segment) | 是 | 存储已初始化的全局变量和静态变量（如 static int a = 10;）。 |
| BSS段 (BSS Segment) | 是 | 存储未初始化的全局变量和静态变量（如 int global_var; 或 static int b;）。这是您问题中提到的部分，所有线程可以无障碍地读写这些变量。 |
| 堆空间 (Heap) | 是 | 通过 malloc, new 等动态分配的内存。所有线程都可以自由访问指向堆空间的指针。 |
线程的私有资源
| 资源 | 是否私有 | 说明 |
|---|---|---|
| 内核空间 | 是 | 进程的内核空间。 |
| 栈空间 (Stack) | 是 | 每个线程都有自己独立的栈，用于存储函数调用时的局部变量、参数、返回地址等。一个线程无法直接访问另一个线程栈上的局部变量。 |
| 寄存器状态 | 是 | 程序计数器（PC）、栈指针（SP）等寄存器值是完全私有的，这决定了每个线程的执行流。 |
| 线程局部存储 (TLS) | 是 | 一种特殊的机制（如C11的 _Thread_local 或 GCC的 __thread），允许定义全局或静态变量，但每个线程都拥有该变量的一个独立副本。 |
选择
C++/操作系统
关于线程同步与互斥，以下说法正确的是？（ ）
A. 互斥锁(mutex)的加锁和解锁操作必须由同一个线程执行。
B. 信号量(semaphore)的值可以大于1，因此可以允许多个线程同时进入临界区。
C. 条件变量(condition variable)内部自带了互斥功能，可以独立使用来保护共享资源。
D. 避免死锁的一种方法是规定所有线程都按相同的顺序申请多个锁。
答案：A, B, D
C：错误。这是常见误区。条件变量必须与互斥锁配合使用，它只负责等待和通知，互斥锁才负责保护检查条件和修改条件的代码。
以下关于malloc和new的区别，错误的是：
A. malloc是函数，new是运算符
B. malloc返回void*，new返回对应类型的指针
C. malloc不会调用构造函数，new会调用构造函数
D. malloc分配的内存可以用delete释放，new分配的内存可以用free释放
答案：D
解析：严禁混用！malloc分配的内存必须用free释放，new分配的内存必须用delete释放。
在嵌入式系统中，以下关于中断服务程序(ISR)的描述，正确的是：
A. ISR中可以使用大量的浮点运算
B. ISR中可以调用不可重入的函数
C. ISR应该尽可能短小高效
D. ISR中可以动态分配内存
答案：C
C：ISR应尽可能短小高效，以避免阻塞其他中断和任务。
A：浮点运算可能较慢且需要上下文保存。
B：不可重入函数可能导致数据竞争。
D：动态分配内存可能因为堆管理器的非重入性而导致问题。
这些都不是ISR中应该做的。
以下关于位段(Bit-field)的说法，正确的是：
A. 位段的存储顺序是标准规定的，可跨平台移植
B. 位段可以节省内存，但可能会增加代码大小和执行时间
C. 位段可以用于任何数据类型
D. 位段的地址可以被获取
答案：B
B：位段通过将多个变量打包到一个存储单元中来节省内存，但访问时需要额外的移位和掩码操作，因此可能增加代码大小和执行时间。
A：位段的存储顺序（位序）和字节序是实现定义的，不可移植。
C：位段通常用于整型家族（int, unsigned int等）。
D：不能对位段成员取地址。
以下关于嵌入式系统中栈和堆的说法，错误的是：
A. 栈的大小通常在编译时确定
B. 堆的大小通常在编译时确定
C. 栈溢出可能导致程序不可预测的行为
D. 堆溢出可能导致内存泄漏
答案：D
D：堆溢出通常指的是堆缓冲区溢出（如数组越界），这可能导致程序数据破坏或执行恶意代码，而内存泄漏是指分配的内存没有释放。
A、B：栈和堆的大小通常在链接时确定（通过链接脚本），但堆的大小有时也可以在运行时调整（例如使用sbrk函数）。
C：栈溢出会导致覆盖其他内存区域，造成不可预测的行为。
以下关于static关键字用于全局变量和函数的说法，正确的是：
A. 限制该变量或函数只在当前文件内可见
B. 允许该变量或函数被其他文件访问
C. 表示该变量或函数是常量
D. 表示该变量或函数是易变的
答案：A
B：static用于全局变量或函数时，会改变其链接性，从外部链接变为内部链接，即限制其只在当前文件内可见。
C：常量关键字是const
D：易变关键字是volatile
以下关于realloc函数的说法，正确的是：
A. realloc只能用于扩大之前分配的内存块
B. realloc只能用于缩小之前分配的内存块
C. realloc可以用于扩大或缩小之前分配的内存块
D. realloc会初始化新分配的内存
答案：C
C、A、B：realloc可以调整已分配内存块的大小，可以扩大也可以缩小。
D：它不会初始化新分配的内存（除非是扩大时新扩展的部分，但标准并未规定其内容，通常是垃圾值）。
在C++中，以下关于智能指针的说法，错误的是：
A. std::unique_ptr独占所指向的对象
B. std::shared_ptr允许多个指针共享同一个对象
C. std::weak_ptr用于解决std::shared_ptr的循环引用问题
D. 智能指针可以用于管理通过malloc分配的内存
答案：D
解析：智能指针的默认删除器使用delete释放内存，因此如果使用malloc分配，则释放方式不匹配，会导致未定义行为。如果非要使用，需要自定义删除器。
在嵌入式系统中，以下哪些情况需要使用volatile关键字？（ ）
A. 多线程共享的变量
B. 被中断服务程序修改的全局变量
C. 内存映射的硬件寄存器
D. 循环中的计数器变量
答案：A、B、C
解析：循环中的计数器变量通常不需要volatile，因为它的修改是程序流程本身决定的。而A、B、C都需要防止编译器优化，确保每次访问都从内存读取。
以下关于static关键字的说法，正确的有？（ ）
A. 在函数内部，static变量只被初始化一次
B. 在文件作用域，static函数只能被本文件内的函数调用
C. 在C++类中，static成员函数不能访问类的非静态成员变量
D. 在C++类中，static成员变量需要在类外定义
答案：A、B、C、D
解析：A、B、C、D都是正确的。注意D：C++中 static 成员变量在类内声明，但需要在类外定义（分配存储空间）。
以下哪些是动态内存分配的缺点？（ ）
A. 容易产生内存碎片
B. 分配和释放的时间不确定
C. 需要程序员手动管理，容易出错
D. 可能导致内存泄漏
答案：A、B、C、D
解析：动态内存分配在嵌入式系统中需要谨慎使用，就是因为这些缺点。
以下关于内存布局的说法，正确的有？（ ）
A. 栈的生长方向通常是从高地址向低地址
B. 堆的生长方向通常是从低地址向高地址
C. .bss段存放未初始化的全局变量和静态变量
D. .data段存放已初始化的全局变量和静态变量
答案：A、B、C、D
解析：这些都是典型的内存布局特征。
以下关于位段的说法，正确的有？（ ）
A. 位段不能取地址
B. 位段的宽度不能超过其类型的位数
C. 位段的内存布局（位序）是标准规定的，可移植
D. 位段可以用于节省内存
答案：A、B、D
解析：位段的内存布局（位序）是实现定义的，不可移植。
位段通过将多个变量打包到一个存储单元中来节省内存，但访问时需要额外的移位和掩码操作，因此可能增加代码大小和执行时间。
操作系统
以下哪些是操作系统引入虚拟内存机制的主要目的？（ ）
A. 使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间。
B. 提高CPU的主频和运算速度。
C. 实现内存保护，防止一个进程误操作其他进程或内核的内存数据。
D. 消除内存碎片问题，提高内存利用率。
答案：A, C, D
A：正确。这是虚拟内存的核心优点之一，程序可以操作一个远大于物理内存的虚拟空间。
B：错误。虚拟内存机制需要MMU进行地址转换，理论上会增加地址转换的开销，可能降低效率，而不会直接提高CPU主频。
C：正确。每个进程有自己的页表，只能映射到自己被允许访问的物理页框。进程A的虚拟地址无法直接访问进程B或内核的物理内存，实现了隔离和保护。
D：正确。虚拟内存使用固定大小的页为单位进行映射，物理内存也被划分为页框。这有效地避免了外部碎片问题（虽然仍可能存在内部碎片）。