2.操作系统常见面试问题3

devtools/2024/11/14 23:51:01/

2.53 Linux中 epoll 和 select 的作用与使用方法，简述 epoll 和 select 的区别，epoll 为什么高效？

  • 作用：select和epoll用于多路复用I/O，在单个线程中管理多个文件描述符，提升并发处理能力。

  • 使用方法：

    • select：通过设置文件描述符集，调用后检查哪些文件描述符有I/O事件。
    • epoll：通过epoll_create创建实例，epoll_ctl添加或修改文件描述符，epoll_wait等待事件发生。

  • 区别：

    • 调用效率：select每次调用都要遍历文件描述符集，效率随连接数增加而下降；epoll基于事件驱动，只通知有事件的文件描述符，适合大规模并发。
    • 文件描述符上限：select有文件描述符上限（一般1024），epoll几乎无限制。

  • epoll高效原因：epoll将活跃文件描述符直接保存在内核，减少用户和内核空间拷贝，事件触发机制避免了无效轮询。

总结表格

特性selectepoll
调用效率每次遍历文件描述符，随连接数增加效率下降基于事件驱动，只处理活跃的文件描述符
文件描述符上限有文件描述符上限（1024或2048）无显著限制
适用场景少量连接或简单任务大量并发连接或高频事件通知

2.54 说说多路 IO 复用技术有哪些，区别是什么？

精简回答：

  • 多路 I/O 复用技术：在 Linux 中，多路 I/O 复用技术包括**select、poll、epoll**，用于在一个线程中监控多个文件描述符的状态，以提高并发能力。

  • 区别：

    • select：遍历全部文件描述符，有描述符上限限制，效率随连接数增加下降。
    • poll：与select类似，但没有文件描述符上限；依然需遍历全部文件描述符。
    • epoll：事件驱动机制，只处理有事件的文件描述符，适合高并发场景。

总结表格

特性selectpollepoll
文件描述符上限一般为1024或2048无限制无显著限制
触发方式水平触发水平触发水平触发或边沿触发
效率随连接数增加而下降随连接数增加而下降高效，连接数增加不影响性能
适用场景少量连接的简单任务中等数量连接的任务大量并发连接或频繁事件触发

全面回答：

  1. select：

    • 特点：select使用一个固定大小的位掩码来表示文件描述符集合，每次调用需重新设置集合并遍历整个集合。它的文件描述符数量有限制（一般1024或2048）。
    • 触发方式：水平触发（level-triggered），需要不断轮询以查看哪些文件描述符有事件。

  2. poll：

    • 特点：poll和select相似，但使用链表存储文件描述符集合，因此可以监控更多文件描述符。它没有文件描述符数量的限制。
    • 触发方式：水平触发，每次调用都要遍历整个集合，不适合大规模连接。

  3. epoll：

    • 特点：epoll是基于事件驱动的模型，只有文件描述符有事件发生时才通知，避免了遍历全部文件描述符的开销。它使用事件列表保存活跃的文件描述符，适合高并发场景。
    • 触发方式：支持水平触发（level-triggered）和边沿触发（edge-triggered），边沿触发模式在高并发下性能更优。

区别总结

  • 性能：select和poll随着连接数增加，效率会显著下降，而epoll在大规模并发连接中表现更佳。
  • 触发机制：select和poll都为水平触发，epoll支持边沿触发，适合高频事件场景。

2.55 简述 socket 中select ，epoll 的使用场景和区别，epoll 水平触发与边缘触发的区别？

精简回答：

  • 使用场景：

    • select：适合少量连接或较简单的 I/O 任务，如小型应用的并发处理。
    • epoll：适合大量并发连接的高性能应用，如 Web 服务器。

  • select 和 epoll 的区别：

    • 文件描述符管理：select有文件描述符数量限制，而epoll几乎无限制。
    • 触发机制：select每次调用都需遍历所有文件描述符，epoll采用事件驱动，只处理有事件的文件描述符，效率更高。

  • epoll 水平触发和边缘触发区别：

    • 水平触发（LT）：当有数据可读时，系统会不断通知，适合流式处理。
    • 边缘触发（ET）：只在状态变化时通知，适合高性能场景，但需要一次性处理完数据。

总结表格

特性selectepoll（水平触发）epoll（边缘触发）
使用场景少量连接或简单 I/O 任务高并发场景，流式或频繁 I/O 任务高并发、高性能场景，瞬时大量数据处理
触发方式水平触发水平触发边缘触发
事件通知频率重复通知，只要数据可读就通知重复通知状态变化才通知，一次性处理
适用复杂度中小型应用大规模并发高频并发场景，性能更优

全面回答：

  1. 使用场景：

    • select：适合小型服务器或客户端应用。因为select每次调用都需要遍历所有文件描述符，效率随连接数增大而降低，不适合大规模并发应用。
    • epoll：适用于高并发、大规模 I/O 操作的场景。epoll采用事件驱动机制，支持大量文件描述符，适合需要频繁 I/O 事件的高性能服务器，如 Web 服务器、实时消息系统等。

  2. select 和 epoll 的区别：

    • 性能差异：select每次调用都需重新设置文件描述符集合，耗时且效率低。epoll只需管理活跃的文件描述符，且不需要重复拷贝文件描述符集合，性能显著提升。
    • 文件描述符上限：select有文件描述符上限（一般为1024或2048），不适合高并发场景；而epoll没有此限制，能处理大量并发连接。
    • 内核通知机制：select的实现为水平触发机制，而epoll支持水平触发和边缘触发两种模式，灵活性更高。

  3. epoll 水平触发和边缘触发的区别：

    • 水平触发（Level Triggered, LT）：文件描述符有未处理数据时，会不断通知。适合逐步处理数据的场景，编程复杂度较低，但在高并发场景中通知频繁。
    • 边缘触发（Edge Triggered, ET）：只在状态变化（如从不可读到可读）时通知，不会反复提醒。适合一次性处理大批数据，减少重复通知，提高性能。需要开发者手动确保一次性将数据读完，编程复杂度更高。

2.56 说说 Reactor 、Proactor 模式。

精简回答：

  • Reactor模式：一种同步非阻塞I/O模型，处理I/O事件的分发。应用程序只负责响应事件通知（如可读、可写），并在事件触发时自行执行I/O操作。

  • Proactor模式：一种异步I/O模型，处理I/O事件的完成。应用程序只需提交I/O请求，由操作系统自动完成I/O操作，并在操作结束后通知应用程序处理结果。

总结表格

特性Reactor模式Proactor模式
I/O模型同步非阻塞I/O异步I/O
I/O操作的执行方应用程序执行 I/O 操作操作系统或库执行 I/O 操作
应用程序任务响应事件并执行具体I/O等待完成通知并处理结果
适用场景高并发I/O，适合多任务分发对异步支持较好平台，如 Windows

全面回答：

  1. Reactor模式：

    • 工作原理：Reactor模式使用一个事件循环来等待并分发事件。当I/O事件（如数据到达、可以发送）发生时，事件循环通知应用程序，应用程序再执行具体的I/O操作。这种模式中的I/O操作由应用程序同步执行。
    • 特点：
      • 同步非阻塞：Reactor只负责通知事件的到来，不负责I/O操作的完成。
      • 事件驱动：应用程序只需关注事件的响应，适合高并发场景。
    • 适用场景：常用于Linux服务器和高并发系统，如HTTP服务器，数据库系统。

  2. Proactor模式：

    • 工作原理：Proactor模式将I/O操作委托给操作系统或I/O库，应用程序只需提交I/O请求并等待操作完成的通知。操作系统完成I/O操作后，应用程序收到完成事件，处理数据即可。
    • 特点：
      • 异步I/O：操作系统负责完成I/O操作，应用程序只处理完成后的事件。
      • 回调机制：Proactor采用回调方式处理I/O完成事件，应用程序代码较为简洁。
    • 适用场景：常用于对异步支持较好的操作系统，如Windows中的异步I/O模型，适合高性能和低延迟的场景。

区别

  • I/O操作执行方：Reactor需要应用程序执行具体I/O操作，而Proactor则将I/O操作的完成交由系统负责。
  • 异步特性：Reactor使用非阻塞I/O，操作同步；Proactor采用异步I/O，操作异步更具效率。

2.57 简述同步与异步的区别，阻塞与非阻塞的区别？

  1. 同步 vs. 异步：

    • 同步：在同步模式中，调用方在调用一个函数或发出一个任务时，必须等待该任务完成才能继续执行。比如读取一个文件时，必须等待文件读取完成。
    • 异步：在异步模式中，调用方发出任务后无需等待任务完成，即可继续执行其他操作，任务完成后通过回调函数、通知、事件等方式告知调用方。异步适合长时间任务或需要并发执行的场景。

  2. 阻塞 vs. 非阻塞：

    • 阻塞：调用方在发出调用后，当前线程被挂起，直到任务完成。阻塞常用于简单的同步任务，但在高并发场景下效率低下。
    • 非阻塞：调用方发出调用后即刻返回，不管任务是否完成。非阻塞的I/O调用不会挂起调用方线程，适合高并发场景中并发执行多任务。

  3. 区别总结：

    • 同步/异步决定是否需要等待任务完成；阻塞/非阻塞决定调用后是否挂起调用方线程。

2.58 BIO 、 NIO 有什么区别？

精简回答：

  • BIO（Blocking I/O，阻塞I/O）：每次I/O操作（读写）都阻塞在操作完成前，适合少量连接或小规模并发应用，编程简单但效率低。

  • NIO（Non-blocking I/O，非阻塞I/O）：I/O操作可以立即返回，即使未完成也不会阻塞。适合高并发、大规模连接场景，通常结合多路复用技术，如select、poll、epoll。

总结表格

特性BIO（阻塞I/O）NIO（非阻塞I/O）
I/O 模式阻塞非阻塞
执行方式调用方等待任务完成调用方立即返回，可执行其他任务
适用场景少量连接、简单任务高并发、大规模连接
实现复杂度简单较高，通常结合多路复用

2.59 请介绍一下五种IO模型

精简回答：

五种常见的I/O模型如下：

  1. 阻塞I/O（Blocking I/O）：应用程序调用阻塞，直到I/O完成，常用于简单应用。
  2. 非阻塞I/O（Non-blocking I/O）：应用程序调用立即返回，无需等待I/O完成，适合高并发场景。
  3. I/O多路复用（I/O Multiplexing）：通过select、poll、epoll等系统调用同时监控多个I/O，适合处理多连接的场景。
  4. 信号驱动I/O（Signal-driven I/O）：利用信号机制通知应用I/O事件的到来，减少轮询的开销。
  5. 异步I/O（Asynchronous I/O）：应用程序发出I/O请求后立即返回，由系统完成I/O操作并通知应用程序，适合高性能场景。

总结表格

I/O模型描述适用场景
阻塞I/O调用被阻塞，直到I/O完成小规模应用、简单I/O操作
非阻塞I/O调用立即返回，需轮询检查高并发、低延迟的系统
I/O多路复用使用select、poll等监控多I/O多连接场景，如Web服务器
信号驱动I/O利用信号通知I/O事件到来低延迟场景，有信号支持的系统
异步I/OI/O由系统完成，完成后通知应用高性能应用，如数据库、Web服务器

全面回答：

  1. 阻塞I/O（Blocking I/O）：

    • 原理：调用I/O函数后，线程会被阻塞，直到数据传输完成。此期间线程无法执行其他操作。
    • 优缺点：编程简单，但并发时性能差。
    • 适用场景：适合低并发、小规模的应用程序。

  2. 非阻塞I/O（Non-blocking I/O）：

    • 原理：I/O操作调用后会立即返回，线程需不断轮询检查I/O状态。返回时可能未完成任务，需反复检查或处理。
    • 优缺点：支持高并发，但轮询开销较大。
    • 适用场景：适合并发较高、响应速度要求高的应用场景。

  3. I/O多路复用（I/O Multiplexing）：

    • 原理：通过select、poll、epoll等系统调用，等待多个文件描述符的事件（如可读、可写）。当一个或多个描述符状态变化时返回，并执行I/O操作。
    • 优缺点：高效处理多连接，但调用复杂。
    • 适用场景：适合高并发连接场景，如聊天室和Web服务器。

  4. 信号驱动I/O（Signal-driven I/O）：

    • 原理：在I/O事件上启用信号驱动，I/O事件到来时，操作系统发送信号通知应用程序，减少轮询需求。
    • 优缺点：可减少CPU轮询开销，但需额外处理信号机制。
    • 适用场景：适合对延迟敏感的场景，有信号支持的系统环境。

  5. 异步I/O（Asynchronous I/O）：

    • 原理：应用程序提交I/O请求后立即返回，操作系统在后台完成I/O操作，完成后通知应用程序处理结果。实现完全的异步处理。
    • 优缺点：效率高，但实现复杂，依赖操作系统支持。
    • 适用场景：适合高性能应用，如数据库系统和大型Web服务器。

2.60 请说一下socket 网络编程中客户端和服务端用到哪些函数？

精简回答：

在 socket 网络编程中，客户端和服务端的核心函数如下：

客户端

  1. socket()：创建套接字。
  2. connect()：连接到服务器。
  3. send()/recv()：发送和接收数据。
  4. close()：关闭连接。

服务端

  1. socket()：创建套接字。
  2. bind()：将套接字绑定到本地地址和端口。
  3. listen()：监听连接请求。
  4. accept()：接受客户端连接。
  5. send()/recv()：发送和接收数据。
  6. close()：关闭连接。

全面回答：

在 C++ 的 socket 网络编程中，客户端和服务端一般按照如下步骤调用相关函数完成通信：

1. 客户端端函数流程

  • socket()：创建一个套接字，指定通信协议（如TCP）。
  • connect()：将套接字连接到远程服务器地址和端口。
  • send()/recv()：发送和接收数据，send()用于向服务端发送数据，recv()用于接收服务端返回的数据。
  • close()：完成通信后关闭连接。

2. 服务端函数流程

  • socket()：创建一个套接字，指定通信协议。
  • bind()：将套接字绑定到本地地址和端口，使其可监听指定端口的连接请求。
  • listen()：将套接字设为监听模式，指定最大连接数。
  • accept()：等待并接受客户端连接，返回新的套接字以进行通信。
  • send()/recv()：send()向客户端发送数据，recv()接收客户端发送的数据。
  • close()：通信结束后关闭连接。

示例流程代码

客户端
int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
connect(client_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
send(client_socket, "Hello Server", strlen("Hello Server"), 0);
recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);
close(client_socket);
服务端
int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
listen(server_socket, 5);
int client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_size);
send(client_socket, "Hello Client", strlen("Hello Client"), 0);
recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);
close(client_socket);
close(server_socket);

这两个端代码展示了如何在C++ socket网络编程中完成基本的客户端和服务端通信。

2.61 简述网络七层参考模型，每一层的作用？

精简回答：

网络七层参考模型是用于理解计算机网络通信的结构模型，分为以下七层：

  1. 物理层：负责物理传输介质上的比特流传输。
  2. 数据链路层：负责数据帧的传输和错误检测。
  3. 网络层：负责数据包的路由和转发。
  4. 传输层：提供端到端的通信，保证数据传输的可靠性。
  5. 会话层：管理会话的建立、维护与终止。
  6. 表示层：处理数据的编码、加密、解密、压缩等。
  7. 应用层：为应用提供网络服务，如HTTP、FTP、SMTP等。

总结表格

层级名称作用
第7层应用层提供应用程序网络服务，如HTTP、FTP等
第6层表示层数据编码、解码、加密、压缩
第5层会话层管理会话、控制会话的建立与终止
第4层传输层端到端通信、可靠数据传输
第3层网络层数据包路由和转发
第2层数据链路层数据帧的传输、错误检测
第1层物理层物理传输比特流

全面回答：

OSI（开放系统互联）七层模型，也称为网络七层参考模型，是由国际标准化组织（ISO）提出的，目的是为了规范网络通信中的各个过程，并且方便不同设备和系统之间的通信。每一层都有其独特的作用，具体如下：

  1. 物理层：

    • 物理层是最底层，负责传输原始的比特流。它定义了网络硬件、传输介质（如电缆、光纤）以及信号的电气特性。
    • 例如：以太网、Wi-Fi、光纤等。

  2. 数据链路层：

    • 数据链路层负责数据帧的传输，包括数据的打包、帧的校验、差错检测与纠正。它确保数据在物理链路上可靠传输。
    • 例如：以太网协议、MAC地址。

  3. 网络层：

    • 网络层负责数据包的路由和转发。它决定数据如何在网络中传输到目标地址（通常是IP地址）。网络层提供不同子网或网络之间的通信。
    • 例如：IP协议、路由协议。

  4. 传输层：

    • 传输层负责建立、管理和终止端到端的通信会话。它确保数据从源到目标的可靠传输，并进行流量控制、错误校验、重传等操作。
    • 例如：TCP、UDP。

  5. 会话层：

    • 会话层用于建立、管理和终止会话（即通信过程）。它确保两台计算机之间的会话可以持久，并能在需要时恢复中断的会话。
    • 例如：RPC（远程过程调用）。

  6. 表示层：

    • 表示层负责数据的表示、编码、加密和解密等功能。它确保传输的内容能够被接收方正确理解，并且对数据进行压缩和加密以增加安全性。
    • 例如：JPEG、MPEG、SSL/TLS（加密）。

  7. 应用层：

    • 应用层为应用程序提供网络服务，处理具体的应用数据交换。它定义了网络服务的接口和协议，通常与用户交互。
    • 例如：HTTP（Web浏览）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）等。

通过这七层的分层结构，可以清晰地看到不同网络协议的功能和作用，有助于系统地理解计算机网络通信的各个环节。


http://www.ppmy.cn/devtools/134026.html

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