2.操作系统常见面试问题3

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

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

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。

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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

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。

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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

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

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。