计算机知识体系2021_1009

发表于2021-10-09更新于2025-09-28阅读次数

内容

今天总结的内容是一个发散性和系统性都有的。

先要把整个操作系统的体系建立起来，存储体系、进程和线程体系。下去之后看操作系统哲学、程序员自我修养、深入理解计算机系统

从应用层穿到底层。

内存方面：通过new和malloc区别穿到：内存开辟底层的实现、内存的管理、页面的调换。

谷歌的tmalloc源码下载下来分析，不会问老师。

C语言的整个基础

  1. 结构体的使用–设计结构体–数据结构
  2. 函数指针

C++的核心

学习C++：先练（还是念？没听清），就是先理解面向对象的思想，然后用。C++中最主要的是灵活使用STL。STL有几个重要的点：（Vector、List比较简单，刨除了）Map、HashMap、HashSet，不要剖析VS2019的源码，因为太难了，剖析VC6.0或版本比较低的。Hash类的STL中，HashMap是最重要的一个点，其底层是红黑树实现的，但红黑树问的不多，撑死问一个树的左旋右旋。主要是让你实现HashMap（无序）代码。

C++更重要的是：

C++11新特性很重要，可以看一本书C++11新特性。最重要的是即智能指针。智能指针问的问题太多太多了。STL、智能指针会用，C++就到头了。

C++结束后，更重要的是修炼内功。

操作系统的两个点：进程、内存。I/O、多核可以了解一下，其他的不重要。

内存

页面置换算法：九个或八个，老师实现LRU算法，时钟算法自己实现，并且要讲清楚，才可以下达C++代码。

任务1（一周完成）：面试可能会问到：如果你定义了一个变量，你能否打印出其真实的物理地址？则我们必须对整个LINUX的内存管理原理非常熟悉才可以。

如果能分析出真实的物理地址，则报文原理、写时拷贝原理（fork的原理）就会立马明白。

任务2：父进程建立链表，子进程也要使用链表，子进程和父进程不改变数据值。
首先在父进程建立链表，创建子进程，打印每个地址和值，父进程也如是。当子进程或父进程改变某个节点数据值后，在子进程和父进程再次打印链表的地址。对照链表有何变化。
本质问题就是：原来我们讲过，局部变量和全局变量产生写时拷贝，那么我们在堆区如何产生写时拷贝？

进程

  1. 父进程构造了个对象5，fork后子进程会不会还要调用构造函数？当对象的局部发生改变后，打印对象地址。这问题会牵扯到后续的继承内容，有多态，存在虚表问题。
  2. 进程间的通信有哪几种？管道、共享内存、消息队列。如果内存知识不懂，则不会理解。一旦要共享内存，就会有互斥、同步问题。互斥量、互斥锁、信号量、原子操作、条件变量。任务3：原子操作的底层实现是？搞清原子操作，就可以搞清信号量、互斥量。

C/C++面试

C和C++的面试，重点不在语法上，而是透过问题C和C++穿入到操作系统。

new和malloc区别

  1. new是关键字，malloc是函数，new调用malloc。
  2. new和malloc都是在堆区申请空间
  3. new有三个步骤
    1. 开辟空间
    2. 构造函数，初始化对象。
    3. 返回地址
      如果考虑CPU的串行、并行，则2、3步可能会顺序不一致。有可能还没构建对象就拿到了地址，会导致错误。我们需要强制其按照2、3顺序来。
  4. new不会强转返回值类型，malloc需要程序员强转。
  5. new封装计算sizeof，而malloc需要程序员清楚要开辟的空间。
  6. 空间不足时，new会抛异常（bad_alloc），不会执行返回操作。malloc会返回空指针。（int *p = new(nothrow) int(20);//我们可以加nothrow禁止抛出异常，则返回空指针）
  7. 释放时，如果对象是内置类型，delete和free可以混用。自己设计的类型，如果没有析构函数、继承关系，也没有虚函数，则也可以混用；如果你设计的new是一个完全的面向对象的写法，则不可以混用。
  8. new是个关键字，可以重载；malloc是函数，不可以重载。重载new，在类中重载的new和delete的最大特点是其具有静态特性，没有this指针。为什么类中重载的new没有this指针？this指向当前对象，new需要给当前对象开辟地址，调动new的时候，还不存在对象，那么无法传递this指针。

透过这个问题，我们可以联想到：

C++的核心思想：地址和空间分离。就比如，局部对象的定义时分配的空间是系统管理的，构造函数是无能力开辟空间的，只是在空间中构建出来。所以，有空间不一定有对象，有对象一定有空间。

针对这个思想，有一个例子：类中没有任何指令、成员的sizeof是1，对象占空间大小也是1字节。因为它至少要体现它存在着，起占位符作用。

new的三种调用形式

  1. 关键字
1
int *p = new int(10);
  1. 函数
1
int *p = ::operator new(sizeof(int));  //malloc

类似于调用malloc，但是还是有区别，这个形式的new内存不足时还是会抛出异常。
3. 定位new
定位new就是对已有的空间，在空间中拿定位new来构建你认为的对象。为什么呢？因为ar传递进去之后，传递进的是个无类型指针，无类型指针在地址范围内构建对象就可以了，不管原来是什么货，我现在认为：有地址即可构建对象。对系统内部来说，认为有空间我就能把地址构建到，而回到用户空间下做的话，整型数组里就不能有对象了。但对系统来说，不管类型，我就是可以构建。

1
2
int ar[10];
new(ar) Test(10);//把对象构建到数组中了。跨越了类型的障碍。

malloc

  1. new和malloc都是调用malloc来分配空间
  2. malloc的底层实现是调用tmalloc和pmalloc，大块内存、小块内存组织方案不一样。这个问题就牵扯到了内存池。理解内存池后，malloc底层效率低，我们需要写自己的内存池来增加效率，比如谷歌的tmalloc，那么与STL中的内存池有何区别？
  3. 谷歌的tmalloc如果考虑在多线程环境下，有可能你调的是1号线程给你分配，有可能是2号，线程多了之后，可以加速分配速度。线程有自己的线程池，并不冲突。但是如果要的空间比较大时，要在底层对大空间进行一个统一的开辟，并且会产生竞争，则会出现同步问题。则会出现以下现象：原来是1号线程分配的空间，释放时用的2号线程。原来是2号线程分配的空间，释放时用的1号线程。那么空间如何有一个统一的方法还回去？线程池从某地方拿了一块给另一方，还回的时候是第二个线程还，那么就会把这一块放到线程空间里。所以有可能从1号的还给2号，有可能从2号来的，还给1号。

什么是内存泄漏？

  1. 内存泄露的本质原因是什么？
    1. 内存泄漏绝不是简单的malloc后没有free。进程结束后，malloc的内存都会释放。因为我们进程使用的是虚拟地址，我们会在进程执行完毕后，撤销虚拟地址在物理地址的映射关系。
  2. 内存不足时，我们采取的政策是什么？

进程同步经典问题

  1. 生产者-消费者：面试中经久不衰的问题，因为用到的场景太多了。与播放有关的都是这种问题。
    1. 短视频软件就是一个生产者-消费者模型。有环形的缓冲池，有倒水者（服务器）、接水者（用户）。
    2. 如果只有一个池子：使用过程中，队头和队尾需要一直迭代，我们可能需要计算队列中的个数，需要队尾、队头相减，则需要锁住队头和队尾指针，则不能灌水、取水。
    3. 三个池子来回倒：先把一个池子注满，注满后把池子拉给播放器。接着给另一个池子注，这样来说，两个池子是独立的。并行能力提升了。代价是要有两个池子的资源。
  2. 哲学家进餐，避免死锁
  3. 读者-写者问题：实际上是生产者-消费者的变种问题
    1. 读者不可改内容，写者可改。读者可以并发，读者和写者互斥，读者和读者并发，写者和写者互斥。代码比较小，但是要你设计框架。
  4. 实现信号量：给上三个线程，第一个线程打印A，第二个线程打印B，第三个线程打印C。总共打印10个，要求先A后B再C。不给信号量，能不能拿原子操作和条件变量完成？能不能拿条件变量和互斥量完成？能不能把原子操作、条件变量、互斥量三者合起来组成一个新的信号量？看你是不是学通了。这就面试到了很根本的难点了。年薪40-50W都会面到。

进程池、线程池

如何实现进程池、线程池？

学了TCP/IP就能体会到线程池了。

书

  1. 操作系统哲学
  2. 程序员的自我修养
    1. 看Linux就够了，Windows不看
      两本看完后，可以弄一个4G文件，内存中取500M空间，玩地址映射。
  3. csapp
    1. 存储器
    2. 内存管理
      1. 页面置换算法
      2. 进程、线程
  4. effective C++
    1. 可当作对C++的扩充
    2. 最有价值的是第六章，应该反复去看，即继承关系。
  5. 陈硕-LINUX C++网络库
    1. 智能指针
  6. 深入理解C++11