计算机基础知识总结：操作系统、网络、数据库与 C++ | 极客日志

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一、操作系统

1. 内存管理

1.1 什么是虚拟内存？为什么需要虚拟内存？

虚拟内存为程序提供比实际物理内存更大的内存空间，同时提高内存管理的灵活性和系统的多任务处理能力。虚拟地址空间是进程所能看到的连续、独立的内存空间，而实际地址空间是所有进程共享的有限物理内存。虚拟内存技术实现了内存隔离、内存扩展、物理内存管理和页面交换。

内存隔离：每个进程拥有独立的虚拟地址空间，无法访问其他进程的内存。
内存扩展：让每个进程拥有比实际大的内存空间地址，处理更多数据。
物理内存管理：内存不足时将不常用数据转移到硬盘释放内存。
页面交换：通过分页交换消除外部碎片，效率高于分段。

1.2 什么是内存分段和分页？作用是什么？

内存分段：将程序内存分为不同逻辑段（如代码段、数据段），每个段有独立大小和权限。易产生外部碎片。
内存分页：将虚拟和物理内存分成固定大小的页（如 4KB）。易产生内部碎片。
作用：逻辑隔离、内存保护、虚拟内存、共享内存、内存管理。

1.3 解释一下内核态和用户态

操作系统中的两种执行模式，控制对硬件资源的访问权限。用户态执行应用程序，内核态执行特权操作（系统调用、异常处理等）。内核态占用 CPU 时不能被抢占。

1.4 中断和异常？区别？

中断：由外部设备或其他处理器导致，异步发生（如键盘输入、网络数据到达）。
异常：由当前指令造成，同步发生（如除数异常、非法内存访问）。

1.5 数据结构

数组、链表、栈、队列、哈希表、树、图、集合、字典。每种结构适合解决特定问题。

2. 进程管理

2.1 进程和线程的区别

定义：进程是资源分配基本单位，线程是 CPU 调度最小单位。
开销：进程创建销毁及切换开销大；线程共享内存，开销小。
安全性：进程独立内存，崩溃不影响他人；线程共享内存，一个崩溃影响整个进程。
通信：进程需 IPC（管道、消息队列等）；线程可直接访问共享数据。

2.2 什么是协程？

协程是比线程更轻量的并发单元，由程序本身调度。轻量级、协作式调度、无需锁机制，适合高并发。协程在同一线程内顺序执行，减少竞态条件和死锁风险。

2.3 调度原则

关注 CPU 利用率、系统吞吐量、周转时间、等待时间、响应时间。调度程序需权衡长任务和短任务，避免交互式应用等待时间过长。

2.4 调度算法

先来先服务、最短作业优先、高响应比优先、时间片轮转、最高优先级、多级反馈队列。

2.5 进程间通信 (IPC)

管道：单向，匿名或命名，简单但效率低。
消息队列：内核维护的消息链表，有大小限制。
共享内存：映射相同物理内存，速度最快，无拷贝开销。
信号量：整型计数器，用于互斥与同步。
信号：异步通知机制，用于异常情况。
Socket：跨网络通信。

2.6 互斥与同步

临界区：访问共享资源的代码片段，必须互斥。
同步：协调执行顺序（如 A 在 B 前执行）。
实现方法：锁（加锁/解锁）、信号量（P/V 操作）。

2.7 线程同步方式

互斥锁：同一时刻仅一个线程访问临界区。
条件变量：配合互斥锁使用，等待特定条件。
读写锁：允许多读单写。
信号量：控制多个线程访问。

2.8 生产者消费者模型

通过锁、条件变量或信号量保证同步和互斥，解耦生产者和消费者，提升并发效率。

2.9 典型的锁

忙等待锁 (自旋锁)：不断轮询直到获取锁。
互斥锁：最常见，确保单线程访问。
读写锁：多读单写。
悲观锁：假设冲突概率高，访问即上锁。
乐观锁：修改时检查冲突，失败则重试。

2.10 死锁与避免

死锁需同时满足互斥、持有并等待、不可剥夺、环路等待四个条件。避免方法包括资源有序分配法破坏环路等待。

3. 进程状态与特殊进程

3.1 进程状态

运行、就绪、阻塞。

3.2 孤儿进程和僵尸进程

僵尸进程：子进程退出但父进程未读取状态，占用 PID 和内核数据结构，不占 CPU/内存。父进程调用 wait() 可清理。
孤儿进程：父进程终止，子进程被 init 进程接管。

3.3 守护进程

后台运行的特殊进程，不与用户交互，执行系统级任务（如网络服务、日志记录）。

4. I/O 与网络系统

4.1 零拷贝

减少用户态与内核态上下文切换和内存拷贝次数。利用 DMA 技术，全程不通过 CPU 搬运数据。传输大文件用异步 I/O + 直接 I/O，小文件用零拷贝技术。

4.2 I/O 多路复用

单一线程监视多个文件描述符。select/poll 轮询，epoll 事件通知。epoll 使用红黑树存储描述符，双向链表存储就绪事件，效率高。

4.3 epoll 触发模式

边缘触发 (ET)：事件发生一次唤醒，需一次性读完数据。
水平触发 (LT)：只要缓冲区有数据就持续唤醒。

4.4 Reactor 模型

收到事件后根据类型分发给处理线程。

二、计算机网络

1. OSI 七层模型

物理层：比特流传输，定义接口、电压等。
数据链路层：可靠传输，差错检测，封装成帧。
网络层：路由选择，IP 寻址。
传输层：端到端通信，TCP/UDP。
会话层：管理会话。
表示层：数据格式转换，加密压缩。
应用层：为用户提供网络服务。

2. UDP 头部格式

8 字节，包含源/目的端口、长度、校验和。结构简单，不可靠传输。

3. TCP 头部格式

通常 20 字节，包含序列号、确认号、窗口大小等。复杂头部支持可靠传输、流量控制、拥塞控制。

4. IP 地址

IPv4 地址由网络号和主机号组成。全 0 为主机号标识网络地址，全 1 为广播地址。

5. 流量控制

依赖接收方接收窗口大小调节发送速率。通过 ACK 携带窗口大小通知发送方。

6. 拥塞控制

慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。动态调整拥塞窗口值以适应网络状况。

7. 三次握手

SYN：请求连接。
SYN+ACK：确认连接，请求连接。
ACK：确认连接。目的是确认双方收发能力正常，防止历史连接干扰。

8. 四次挥手

FIN：客户端无数据发送。
ACK：服务器确认。
FIN：服务器无数据发送。
ACK：客户端确认。

9. HTTP 协议

请求方法：GET, POST, PUT, DELETE 等。
状态码：1XX(信息), 2XX(成功), 3XX(重定向), 4XX(客户端错误), 5XX(服务端错误)。
版本：HTTP/1.0(短连接), HTTP/1.1(持久连接), HTTP/2(二进制/多路复用), HTTP/3(基于 QUIC)。
GET vs POST：用途、传输位置、安全性、幂等性、缓存策略不同。
缓存：强制缓存 (Expires/Cache-Control)、协商缓存 (Last-Modified/ETag)。
HTTPS：加入 SSL/TLS 加密，端口 443，需证书。

10. TCP 连接细节

初始序列号：每次不同，防止历史报文干扰及提高安全性。
SYN 攻击：伪造大量 SYN 包耗尽半连接队列。防御：SYN Cookies、限流。
TIME_WAIT：等待 2MSL 确保 ACK 到达及旧连接数据包消失。
保活机制：探测空闲连接是否存活。
Socket 编程：listen 创建队列，accept 取出连接。半连接队列 (哈希表)，全连接队列 (链表)。

11. TCP 粘包与拆包

TCP 面向字节流，无边界。解决办法：固定长度、特殊字符、长度前缀、自定义协议。

12. QUIC 协议

基于 UDP，改进可靠传输、队头阻塞、流量控制和拥塞控制。支持连接迁移，TLS 集成，0-RTT 建立连接。

三、数据库

1. MySQL

1.1 关系型与非关系型

关系型：表格存储，键值管理 (如 MySQL)。
非关系型：键值、文档等模型 (如 Redis)。

1.2 SQL 执行流程

连接器 -> 查询缓存 -> 解析器 -> 优化器 -> 执行器 -> 存储引擎。

1.3 索引

定义：帮助快速获取数据的数据结构。
分类：B+Tree、Hash、全文索引；聚簇、二级索引。
B+Tree 优势：节点数据少，磁盘 IO 少；叶子节点链表适合范围查询。
优化：前缀索引、覆盖索引、主键自增、避免失效。

1.4 事务

ACID 特性：原子性、一致性、隔离性、持久性。

隔离级别：读未提交、读提交、可重复读 (MySQL 默认)、串行化。
并发问题：脏读、不可重复读、幻读。

1.5 锁

全局锁、表级锁 (表锁、元数据锁、意向锁)、行锁 (Record Lock, Gap Lock, Next-Key Lock)。

1.6 调优

建立索引、索引优化、查询优化、事务锁管理、覆盖查询。

2. Redis

Redis 部分基础内容略。

四、C++ 与数据结构

1. 内存基础

分区：代码区、全局区、堆区、栈区。
堆 vs 栈：堆动态分配，手动管理；栈局部变量，自动管理。

2. 指针

智能指针：unique_ptr(独占), shared_ptr(共享), weak_ptr(弱引用)。
const：const int *p (指向常量), int * const p (常量指针)。
define vs const：宏替换 vs 类型安全常量。
static：静态成员属于类，所有对象共享。

3. 虚函数

虚函数：基类声明，派生类重写，实现多态。
纯虚函数：无实现，定义抽象类接口。

4. vector 容器

动态数组，自动扩容 (通常 2 倍)。扩容涉及重新分配、复制、释放。

5. 排序算法

冒泡、选择、插入、快速、归并、堆排序。