面试题目整理-涵盖操作系统、网络、算法、设计模式等

以下全部内容（包括网络、设计模式等）均已上传github，总结不易，请点击一个star，非常感谢

https://github.com/killsoiler/Hello-work-

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1. 进程、线程、协程

1. 为什么使用线程：服务器为进程配置的资源太多，且切换开销较大，所以使用线程

2. 进程和线程的区别

   1. 进程是操作系统资源分配的最小单位，线程是操作系统调度的最小单位

   2. 进程拥有独立的地址空间，在启动时分配，同时包含进程控制块、代码段、数据段、堆、栈

      线程的地址空间共享，仅拥有自己的线程栈

   3. 通信方式不同，线程共享全局变量、静态变量，共享更方便

      进程需要使用信号等等手段

   4. 进程间较为独立，进程崩溃一般不会影响其他进程

      线程崩溃，该进程的所有线程崩溃，因为线程共享地址空间

   5. 进程切换开销较大，线程切换开销较小

   6. 创建和撤销进程时，系统要为之分配/回收资源、内存空间、IO设备，开销远大于创建和撤销线程的开销，线程的切换只需要保存和设置少量寄存器的内容，开销小

3. 如何选择进程和线程

   线程切换代价小，所以如果频繁创建、销毁却又包含大量计算，使用线程。例如界面显示和及时响应消息。

   允许并发且有阻塞的socket/磁盘通常也是用线程

4. 线程间的通信方式

   临界区，使用互斥锁/信号量解决临界区变量

5. 进程间的通信方式

   1. 管道

      1. 无名管道：半双工，只能用于父子进程间的通信，使用read/write、文件描述符进行读取，是内存中的特殊文件

         int fd[2] pipe(fd)创建无名管道，其中fd[0]为读端，fd[1]为写端

         <1>当写端存在时，管道中没有数据时，读取管道时将阻塞

         <2>当读端请求读取的数据大于管道中的数据时，此时读取管道中实际大小的数据

         <3>当读端请求读取的数据小于管道中的数据时，此时放回请求读取的大小数据

         <4>向管道中写入数据时，linux不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。当管道满时，读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

         如果没有读端，写进程收到SIGPIPE信号

      2. 命名管道：FIFO半双工，是文件系统的特殊文件（存在于内核之中，无亲缘关系也可以使用其进行通信）

         [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RJgLDY9S-1597977692345)(C:\Users\10232\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20200812093709329.png)]

         特点：面向字节流，生命周期随内核，自带同步互斥机制，半双工、单向通信

   2. 消息队列：存放于内核之中，不一定按照顺序进行读取

      ​ 消息队列由标识符唯一标记

      1. 消息队列可以认为是一个全局的一个链表，链表节点钟存放着数据报的类型和内容，有消息队列的标识符进行标记。
      2. 消息队列允许一个或多个进程写入或者读取消息。
      3. 消息队列的生命周期随内核。
      4. 消息队列可实现双向通信。

   3. 信号量：进程间的互斥与同步

      同一进程中互斥，不同进程中同步

      在保证互斥的同时提高了并发，可用于进程、线程间的同步

      sem_init sem_wait sem_post

   4. 共享内存：最快的IPC方式

      但是要保证共享内存处的线程安全问题。（epoll使用mmap进行共享内存，减少了从内核中拷贝数据到进程段的时间）

      1. 不用从用户态到内核态的频繁切换和拷贝数据，直接从内存中读取就可以。
      2. 共享内存是临界资源，所以需要操作时必须要保证原子性。使用信号量或者互斥锁都可以。
      3. 生命周期随内核。

   5. socket

   6. 信号

   7. 文件（fork后使用相同的文件描述符）

6. 线程同步与线程异步

   1. 线程同步：一个线程需要等待另一个线程执行结束后才能进行
   2. 线程异步：无需等待另一个线程结束
   3. 同步的目的：多线程操作数据保证前后一致性
   4. 互斥的目的：多线程之间进行数据操作不会相互影响

7. 多线程同步、互斥的方法

   互斥锁、信号量，信号，条件变量

   互斥锁： pthread_mutex_init

   ​ pthread_mutex_destroy

   ​ pthread_mutex_lock

   ​ pthread_mutex_unlock

   信号量：阻塞sem_wait

   [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5MskuTxQ-1597977692347)(C:\Users\10232\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20200811223759634.png)]

   [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Uq5q567Y-1597977692350)(C:\Users\10232\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20200806213446193.png)]

8. 进程上限：4096，使用limit -u 进行修改

   最终上限：pid的上限32768（short）

   线程上限：依据虚拟内存大小/线程栈的大小决定（大约300个） 3072M/8M = 384个

   由于代码段和数据段-1个，主线程-1个为382个

   使用ulimit -s减少栈的大小，但是无法突破1024的上限

9. 协程

   一个进程包含多个线程，一个线程包含多个协程

   协程又称微线程、纤程。在执行过程中，在子程序内部可中断。然后去执行别的子程序，再返回来继续执行

   协程的子程序之间可以随时中断去执行另一个协程，特点为在一个线程执行

   协程切换不消耗资源在用户态进行

   线程内的多个协程进行切换，但是是串行执行的

   协程为非抢占式调度，切换由程序员控制

10. 进程、线程、协程的切换对比

    1. 进程的切换者–操作系统，用户无感知，使用进程的调度算法（FCFS，SJF，时间片…)

       切换内容：全局目录，内核栈，硬件上下文保存在内存中，nei内核态-用户态-内核态

       上下文切换补充：

       1. 切换页目录使用新的地址空间–虚拟空间变换
       2. 切换内核栈、硬件上下文
       3. 更换PCB
       4. 页表
       5. 刷新TLB（是页表的cache）

    2. 线程的切换者–操作系统，用户无感知

       切换内容：线程栈、硬件上下文。线程切换内容保存在内核栈中，nei内核态-用户态-内核态

    3. 协程的切换者–用户，只是切换硬件上下文，切换内存保存在用户自定义变量中，没有进入内核态

11. 孤儿进程和僵尸进程

    1. 孤儿进程：父进程先于子进程结束，子进程由init收养，回收由init进行
    2. 僵尸进程：子进程退出，资源未被父进程回收，但是占用了进程号等资源。如果大量存在僵尸进程，那么可能会导致进程号分配不足而无法fork
    3. 解决方案
       1. kill父进程，让子进程转由init收养
       2. 子进程退出时向父进程发送SIGCHRD信号，信号处理函数中进行回收

12. 进程调度算法：

    1. FCFS：每次从就绪队列中选取头部调度

    2. SJF：平均等待时间、平均周转时间最低

       对长作业不利，容易造成饥饿现象

       程序运行时间由用户提供，不一定真正做到短作业优先

    3. 优先级调度算法

    4. 时间片轮转算法

    5. 多级反馈队列调度算法：多个FCFS+时间片轮转

13. 多进程与多线程

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RFHUgzyU-1597977692353)(C:\Users\10232\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20200812094158313.png)]

    1. 频繁的创建、销毁：线程 – web服务器
    2. 大量计算：线程 – 切换频繁
    3. 强相关：进程 – 消息解码、消息处理
    4. 弱相关：线程 – 消息接受、消息发送
    5. 多机分布：进程 多核分布：线程

    IO密集型：多线程

    CPU密集型：多进程

14. 进程和线程的概念

    1. 进程是运行时对程序的封装，是操作系统资源调度和分配的基本单位，实现了操作系统的并发
    2. 线程是进程的子任务，是CPU调度的基本单位，实现进程的并发。线程独自占用虚拟存储器，拥有独立的寄存器组、PC和处理器状态，但是公用地址空间和文件队列

15. 线程存在的必要性

    1. 资源节省 – 切换开销小 – 通信方便

    2. 进程存在缺点：同一时间只能干一件事，如果有阻塞整个进程会被挂起

       引入线程作为并发调度的基本单位，减少程序并发执行付出的时空开销

    3. 从资源上来讲，线程是一种非常"节俭"的多任务操作方式。在linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种"昂贵"的多任务工作方式。

    4. 从切换效率上来讲，运行于一个进程中的多个线程，它们之间使用相同的地址空间，而且线程间彼此切换所需时间也远远小于进程间切换所需要的时