操作系统、计算机网络

OS 与网络基础

一、操作系统核心概念

1. 内核态与用户态

模式	权限与功能	特点
内核态	可执行所有指令，访问所有硬件资源；运行操作系统内核（内存管理、进程管理、设备驱动等）。	高权限，直接操作硬件。
用户态	仅能执行部分指令集；运行用户程序。	安全性高，程序崩溃不会影响系统稳定性；通过系统调用请求内核服务。

2. 进程管理

线程切换流程

1. 保存当前线程上下文：寄存器状态、程序计数器（PC）、堆栈指针 → 存入线程控制块（TCB）。
2. 切换至调度器：由调度器选择下一个线程。
3. 恢复新线程上下文：从进程控制块（PCB）加载内存、全局变量等 → 恢复执行。

进程状态

• 创建、就绪、运行、阻塞、终止。

进程间通信（IPC）

• 管道：半双工通信。
• 消息队列：异步消息传递。
• 共享内存：高效数据共享。
• 信号/信号量：事件通知与资源同步。
• Socket：跨网络通信。

线程间通信

• 互斥锁：独占资源访问。
• 读写锁：读共享，写独占。
• 条件变量：线程等待特定条件。
• 自旋锁：用户态忙等待（基于 CAS 原子操作）。
• 信号量（Semaphores）：P 操作（请求资源 -1）、V 操作（释放资源 +1）。

进程调度算法

• 先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、高响应比优先（HRRN）、时间片轮转（RR）、最高优先级（HPF）、多级反馈队列（MFQ）。

3. 死锁

发生条件

1. 互斥：资源独占。
2. 持有并等待：进程持有资源并等待其他资源。
3. 不可剥夺：资源只能由持有者释放。
4. 环路等待：进程间形成环形等待链。

解决方案

• 破坏条件：如有序分配资源。
• 银行家算法：检查资源分配安全性，避免进入不安全状态。

4. 内存管理

写时复制（Copy-On-Write）

• 机制：fork() 时仅复制页表，物理内存共享；写入时触发复制。

页面置换算法

• OPT（最佳置换）：淘汰未来最久未使用的页面。
• FIFO（先进先出）。
• LRU（最近最久未使用）。
• 时钟算法：近似 LRU 的实现。
• LFU（最不常用）：淘汰访问次数最少的页面。

5. 中断

分类

• 外部中断：来自 CPU 外部（可屏蔽/不可屏蔽）。
• 内部中断（异常）：陷阱（Trap）、故障（Fault）、终止（Abort）。

处理流程

1. 发出中断信号。
2. CPU 保存现场，查询中断向量表定位处理程序。
3. 执行中断处理程序并恢复现场。

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二、计算机网络

1. 网络模型分层

层级	功能
应用层	提供应用程序统一接口（如 HTTP、FTP）。
表示层	数据格式转换（兼容不同系统）。
会话层	建立、管理、终止通信会话。
传输层	端到端数据传输（如 TCP、UDP）。
网络层	路由、转发、分片（如 IP 协议）。
数据链路层	封帧、差错检测、MAC 寻址（如 Ethernet）。
物理层	物理介质传输数据帧（如光纤、电缆）。

2. TCP 与 UDP

TCP 特性

• 三次握手：确认双方收发能力，避免历史连接问题。
• 四次挥手：全双工通信，确保数据发送完毕后再关闭连接。
• 可靠传输：
  • 数据分块编号 + 校验和。
  • 滑动窗口流量控制。
  • 拥塞控制（慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复）。
  • ARQ 协议 + 超时重传。

UDP 特性

• 无连接：无需握手，直接发送数据。
• 不可靠：不保证顺序和送达。
• 头部开销小（固定 8 字节）。
• 适用场景：实时视频、语音通话、DNS。

对比表格

特性	TCP	UDP
连接类型	面向连接	无连接
可靠性	可靠传输	不可靠
头部大小	20-60 字节	8 字节
速度	较慢	较快
顺序性	严格有序	无序
错误检测	流量控制 + 拥塞控制	仅校验和
典型应用	HTTP、FTP、SMTP	DNS、DHCP、VoIP

3. TCP 拥塞控制

• 慢开始：指数增长拥塞窗口（cwnd）。
• 拥塞避免：线性增长 cwnd。
• 快重传：收到 3 个重复 ACK 立即重传。
• 快恢复：调整 ssthresh 和 cwnd，避免慢启动。

4. HTTP 与 HTTPS

HTTP 版本演进

• HTTP/1.0：短连接（每次请求新建 TCP 连接）。
• HTTP/1.1：长连接（持久化连接，默认启用）。
• HTTP/2.0：多路复用、头部压缩。
• HTTP/3：基于 UDP（QUIC 协议）。

HTTPS

• 加密：SSL/TLS 加密数据。
• 证书：数字证书验证身份。
• 端口：443。

5. DNS 与网络协议

• DNS：域名解析为 IP 地址。
• ARP/RARP：
  • ARP：IP → MAC（广播）。
  • RARP：MAC → IP。
• 路由器 vs 交换机：
  • 交换机：数据链路层，基于 MAC 地址转发。
  • 路由器：网络层，基于 IP 地址路由。

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三、用户状态管理

1. Cookie、Session、Token

机制	存储位置	安全性	数据类型	有效期	适用场景
Cookie	客户端	较低	仅字符串	可长期保持	记住登录状态、个性化设置
Session	服务器	高	任意数据类型	短期（会话级）	敏感数据存储（如购物车）
Token	客户端	中高	任意数据（通常 JWT）	可配置	跨域 API、分布式系统、移动端

2. 核心区别

• 安全性：Session > Token > Cookie。
• 扩展性：Token 适合分布式系统；Cookie 受跨域限制。
• 性能：Cookie 减少服务器存储压力。

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四、实际应用场景

1. 浏览器访问流程（以 www.taobao.com 为例）

1. URL 解析：提取域名、路径等信息。
2. DNS 查询：将域名解析为 IP 地址。
3. HTTP 请求：构建请求头/体，通过 TCP 发送。
4. 服务器处理：Web 服务器（如 Nginx）处理请求，返回响应。
5. 浏览器渲染：解析 HTML/CSS/JS，生成页面。

2. 网络诊断工具

• Ping：基于 ICMP 协议测试主机连通性。
• 代理：
  • 正向代理：客户端隐藏真实 IP。
  • 反向代理：服务端隐藏真实服务器。

3. IP 协议演进

• IPv6 优势：更大地址空间、简化头部、即插即用、增强安全。
• IPv4 → IPv6 转换：
  • 双栈技术：设备同时支持双协议栈。
  • 隧道技术：封装 IPv6 数据包到 IPv4 中传输。
  • 协议转换：网关设备进行协议转换。