C++操作系统与网络编程（针对特定岗位）

C++操作系统与网络编程（特定岗位）

如果你应聘的岗位涉及基础开发、网络编程或高性能计算，这部分内容会是重点。

1. 操作系统

*问题类型：

进程间通信（IPC）的方式（管道、消息队列、共享内存、信号量、信号）？

管道（Pipe）

匿名管道：用于父子进程通信

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int fd[2];
pipe(fd);  // fd[0]读端, fd[1]写端
if (fork() == 0) { /* 子进程 */ write(fd[1], data, size); }
else { /* 父进程 */ read(fd[0], buffer, size); }

命名管道（FIFO）：无关进程通信

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mkfifo /tmp/myfifo  # 终端创建

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int fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);
write(fd, data, size);

消息队列（Message Queue）

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#include <sys/msg.h>
struct msgbuf { long mtype; char mtext[100]; };
int msqid = msgget(IPC_PRIVATE, 0666);
msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 1, 0);

共享内存（Shared Memory）

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#include <sys/shm.h>
int shmid = shmget(IPC_PRIVATE, size, 0666);
char* shm = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
memcpy(shm, data, size);  // 进程间共享
shmdt(shm);

信号量（Semaphore）

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#include <sys/sem.h>
int semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);
semctl(semid, 0, SETVAL, 1);  // 初始值=1
struct sembuf op = {0, -1, 0};  // P操作
semop(semid, &op, 1);

信号（Signal）

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#include <csignal>
signal(SIGUSR1, handler);  // 注册处理器
kill(pid, SIGUSR1);        // 向进程发信号

线程同步机制（互斥量、信号量、读写锁、条件变量）？

互斥量（Mutex）

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#include <mutex>
std::mutex mtx;
mtx.lock();
// 临界区
mtx.unlock();

信号量（Semaphore） (C++20)

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#include <semaphore>
std::counting_semaphore<1> sem(1);  // 二元信号量
sem.acquire();  // P操作
// 临界区
sem.release();  // V操作

读写锁（Shared Mutex）

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#include <shared_mutex>
std::shared_mutex rw_lock;
// 写锁（独占）
{ std::lock_guard<std::shared_mutex> lock(rw_lock); }
// 读锁（共享）
{ std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock); }

条件变量（Condition Variable）

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#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
// 线程A：等待条件
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return condition; });
// 线程B：通知条件满足
cv.notify_all();

虚拟内存、物理内存？

特性	虚拟内存	物理内存
本质	进程看到的连续地址空间	实际的 RAM 硬件
管理	操作系统通过 MMU 映射	直接由内存控制器管理
大小	通常远大于物理内存（如 64TB）	受硬件限制（如 32GB）
碎片处理	无需连续物理块	需要连续物理块
C++ 体现	`char *p = new char[1e9];` 可分配	`malloc` 实际占用物理页
交换机制	页面可换出到磁盘	始终驻留 RAM
访问速度	依赖TLB/页表命中	直接访问（约 100ns）

映射关系：

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虚拟地址 → MMU（页表查询）→ 物理地址

页错误（Page Fault）：当访问未映射的虚拟页时触发，操作系统介入处理

C++ 代码验证内存地址：

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#include <iostream>
int main() {
    int x;
    std::cout << "虚拟地址: " << &x << std::endl;
    // 物理地址需通过操作系统接口获取（如Linux的 /proc/pid/pagemap）
}

2. 网络编程

*问题类型：

TCP/IP 协议栈的五层/层模型？

层级	功能	关键协议/设备
物理层	传输比特流，定义物理设备标准（电压、接口类型）	网线、光纤、中继器
数据链路层	帧格式化、错误检测/纠正，控制物理介质访问	以太网（Ethernet）、交换机
网络层	路由寻址、IP分组转发，管理跨网络主机通信	IP、ICMP、路由器
传输层	提供端到端可靠/不可靠传输，流量控制，端口寻址	TCP、UDP
应用层	面向应用程序的数据封装与解析	HTTP、FTP、DNS

TCP 和 UDP 的区别、特点和适用场景？

特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠（确认重传、有序交付）	不可靠（可能丢包、乱序）
速度	慢（拥塞控制、流量控制）	快（无控制开销）
头部开销	20~60字节	8字节
适用场景	网页浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件	视频会议、在线游戏、DNS查询

TCP 交互流程和四次挥手过程？
1. 第一次挥手 ：主动关闭方发送FIN报文，进入FIN_WAIT_1状态。
2. 第二次挥手 ：被动关闭方回复ACK报文，进入CLOSE_WAIT状态；主动方收到后进入FIN_WAIT_2。
3. 第三次挥手 ：被动方处理完数据后发送FIN报文，进入LAST_ACK状态。
4. 第四次挥手 ：主动方回复ACK报文，进入TIME_WAIT状态；被动方收到后关闭连接。
  为什么需要四次？
  TCP是全双工通信，需独立关闭两个方向的数据流（如：A关闭发送后，B仍可发送剩余数据）。
TIME_WAIT状态？
- 作用：
  - 保证被动关闭方能正确关闭（若ACK丢失，可重传FIN）。
  - 防止历史报文干扰新连接（等待2MSL使旧报文消亡）。
- 持续时间 ：2MSL（MSL通常30秒，共60秒）。
- 优化方法 ：
  - 开启 tcp_tw_reuse + tcp_timestamps（复用TIME_WAIT连接）。
  - 设置 SO_LINGER（强制跳过TIME_WAIT，慎用）。

阻塞 IO、非阻塞 IO、多路复用 IO (select, poll, epoll) 的区别和优缺点？

模型	工作机制	优点	缺点
阻塞IO	调用后线程挂起，直到数据就绪	编程简单	并发能力差
非阻塞IO	立即返回状态，需轮询检查就绪	避免线程阻塞	轮询消耗CPU
多路复用IO	单线程监听多个fd（select/poll/epoll）	高并发、资源占用少	编程复杂
异步IO	内核完成操作后回调通知	无等待开销	兼容性差（Linux支持弱）

多路复用实现对比：

select/poll：O(n)遍历所有fd，支持fd数少（默认1024）。
epoll：O(1)事件通知，支持海量fd（>10万），边缘触发（ET）性能更高。

epoll的工作模式（水平触发 LT、触发 ET）？

模式	触发条件	编程要求	典型场景
水平触发LT	fd就绪时持续通知，直到事件处理	简单（不易丢事件）	默认模式，通用场景
边缘触发ET	fd状态变化时仅通知一次	严格（需循环读/写）	高性能服务器

ET模式注意事项：

需循环读写直到返回EAGAIN错误，否则会丢失后续事件。
非阻塞fd必需，避免单次未处理完导致线程阻塞。

常见的网络编程模型（单线程、多进程、多线程、Reactor/Proactor）？
1. 单线程 ：
  - 所有操作串行执行（如Redis主线程）。
  - 简单但无法利用多核，吞吐量低。
2. 多进程/多线程 ：
  - 每个连接独立进程/线程（如Apache）。
  - 并发能力强，但资源消耗大，上下文切换开销高。
3. Reactor模式 ：
  - 核心：事件驱动 + 多路复用。
  - 分工：
    - MainReactor：处理新连接（单线程）。
    - SubReactor：处理IO事件（多线程）。
  - 应用：Netty、Nginx。
4. Proactor模式 ：
  - 异步IO + 回调通知（如Windows IOCP）。
    耗大，上下文切换开销高。
5. Reactor模式 ：
  - 核心：事件驱动 + 多路复用。
  - 分工：
    - MainReactor：处理新连接（单线程）。
    - SubReactor：处理IO事件（多线程）。
  - 应用：Netty、Nginx。
6. Proactor模式 ：
  - 异步IO + 回调通知（如Windows IOCP）。
  - 性能高但Linux支持弱。