后端面试常见题目及知识点（一）---Linux

2020年09月20日 23:17:25

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文章分类: 后端面试

最近正是求职季，自己也经历了多次面试，网上看了许多面经。整个过程中，记录了很多，学到了很多，开个博客，分享给大家，祝大家Offer多多！

该系列博客会从几个不同的大方向，对常见问题进行分类，同时内容为我日常整理方便自己快速回忆，复习，并且为了尽可能覆盖更多的知识点，所以每个问题只有简短关键的回答，如果对相关知识点不熟悉的，建议多查阅一些相关资料。
# 系列文章目录
1. [操作系统（Linux）](https://blog.csdn.net/kewei168/article/details/108690001)
2. [计算机网络](https://blog.csdn.net/kewei168/article/details/108690391)
3. [数据库](https://blog.csdn.net/kewei168/article/details/108700434)
4. [其他](https://blog.csdn.net/kewei168/article/details/108700482)

[TOC]

操作系统常见问题：线程进程相关知识，Linux常规命令等

# Linux常用指令

## 查看所有进程

`ps -ax | less`

* -a代表列出所有进程
* x代表列出没有tty（控制终端）的进程
* | linux指令里面的管道，利用管道将前一个程序的输出导入后一个程序（ps ---> less）

拓展：ps是如何实现的？简述原理

Linux的/proc目录下面包含了所有进程的信息（`ls /proc/`），每个进程都有一个对应的文件夹，名字为进程号。所以实现ps基本原理就是遍历改目录，获取所有的进程信息

## 文档内查找内容

`cat file.txt | grep test`

## 如何查看操作系统是几位的

`uname -m` --- x86_64 or x86

# 进程，线程，协程

* 进程：**进程是资源分配的最小单位**（分配内存等）
    * 进程的fork都是先复制自身，然后再修改新进程的内容 ---> init是所有进程的“老祖宗”
* 线程：**线程是CPU调度的最小单位**（CPU “fetch”一个线程，然后执行）
* 协程：“用户态的线程”，协程看上去也是子程序，但执行过程中，在子程序内部可中断，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行（以同步的方式，在一个线程内执行任务）
* 进程 v.s. 线程
    * 每个进程最少包含一个线程，每个线程必定属于某个进程
    * 进程要比线程消耗更多的计算机资源，不同进程间的隔离度也更高（i.e. 一个进程终止一般不会影响到另一个进程），但是一个线程终止可能会导致该线程所属的整个进程同时终止
    * 多进程：允许多个任务同时执行
    * 多线程：允许一个任务的不同部分同时执行（embarrassingly Parallel）
    * 进程内部所有线程共享内存空间
* 线程 v.s. 协程
    * 线程切换：操作系统完成，overhead较大（e.g. 保存当前寄存器，flush，重新加载）
    * 协程切换：用户完成，overhead较小（还是在同一个线程内）

## 进程的几种状态

* R（TASK_RUNNING）--- 可执行状态
    * ready和running都属于这个状态
* S（TASK_INTERRUPTIBLE） --- 可中断的睡眠状态
    * 处于该状态的进程，通常由于等待某事件的发生（如socket），而被挂起（task_struct被放入对应事件的等待队列中）；
    * 对应事件发生时，对应进程会被唤醒
    * 如果使用ps查看进程，会有很多进程处于该状态（CPU能承受多进程的原因！）
* D（TASK_UNINTERRUPTIBLE） --- 不可中断的睡眠状态
    * 存在的意义是有些系统操作是不可打断的，如操作系统对某些硬件进行交互的时候，需要用这个进行保护（kill信号无法杀死这个状态的进程）
* T（TASK_STOPPED or TASK_TRACED） --- 暂停状态或跟踪状态
    * 如断点调试
* Z（TASK_ZOMBIE） --- 退出状态，进程成为僵尸进程
    * 进程在退出过程中，所有资源都被回收，除了task_struct结构（和少数资源）外，此时线程处于僵尸进程
    * 父进程可以通过wait来使得僵尸进程退出
* X（TASK_DEAD） --- 退出状态，进程即将被销毁
    * 该状态通常很短暂（接下来就会销毁该进程），ps一般看不到

## 线程的几种状态

* new --- 创建
* ready --- 创建成功，可以被执行
* running --- 正在执行
* waiting --- 等待，由于IO或者有更高优先级的事情（如处理中断）
* terminated --- 结束，释放资源
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200920102341826.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tld2VpMTY4,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)
## 为什么需要协程？

1. 节省CPU，协程是用户态的线程，不存在线程切换的开销；
2. 节约内存，系统会给每个线程分配一定大小的栈内存（e.g. 8M）和堆内存（64M），线程数量有瓶颈；而协程的栈通常只有十几K，并且是从线程的堆里面分配出来的，数量受限小；
3. 稳定性，不存在线程安全问题，因为协程是在一个线程内部，以**同步**的方式读写数据；
4. 开发效率，可以利用协程将一些耗时操作异步化；

## 线程（进程）间的数据共享/通信

* 线程间通信
    * 共享内存，共享变量，更需要考虑的是race condition
* 进程间通信
    * 管道（pipe），单向通信，只能在具有亲属关系（多为父子关系）的进程间使用
    * 命名管道（FIFO），可在任意两个进程间使用
    * 信号量（semophore），一个计数器，多用于控制多进程访问共享资源
    * 消息队列（message queue），储存在内核中的一个消息链表
    * 信号（signal），类似于中断的概念
    * 共享内存（shared memory）
    * **socket**！！！（甚至可以做到分布式）

## 进程有哪些字段
* PID
* Stack
* Heap
* Execution context
    * Program counter (PC)
    * Stack pointer (SP)
    * 寄存器（Registers）
* 代码
* 数据
* 独立内存空间

## 多线程如何做到thread-safe

* thread local变量（直接避免了race condition）
* 原子量（atomic）和原子操作（test-and-set，compare-and-swap）
* 临界区（critical section）
* 互斥锁（mutex）
* 信号量（semaphore）
* 事件对象（event）

## 活锁 V.S. 死锁

* 死锁：两个或两个以上的线程，因争夺资源而陷入互相等待（阻塞），会一直持续下去
    * 可能是由于多个线程加锁的顺序不一样
* 活锁：线程在执行，但是由于某些条件未满足，所以都是无用功
* 形象的比喻，死锁是lock，活锁是try_lock（一直try），两者都是没有进度，但死锁是阻塞状态，活锁是运行状态
* 饥饿：某个线程“长期”处于等待资源状态，比如由于优先级不够高，系统一直不执行

## 僵尸进程 V.S. 孤儿进程

* 僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用`wait`或`waitpid`获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程
    * 任何一个进程退出后都会经历“僵尸进程”这个阶段，只有等到父进程调用`wait`或者`waitpid之后`，进程才会真正结束
    * 大量的僵尸进程可能会耗尽系统的进程号资源
* 孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(pid=1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作
    * 孤儿进程不会有什么危害，因为孤儿进程会被init“收养”并正常退出
* 如何避免僵尸进程？
    * 1）通过信号机制；子进程退出时会向父进程发送SIGCHILD信号，父进程可以捕捉这个信号进行`wait`处理
    * 2）fork两次（将子进程变为孤儿进程）；先fork一次得到子进程1，然后在1里面再fork一次，成功后将1结束，从而使得子进程2变为孤儿进程，并被init进程“收养”

# 阻塞 V.S. 非阻塞，异步 V.S. 同步

* 阻塞：指调用结果返回之前，调用者会进入阻塞状态（线程状态，此时该线程可能会进入wait状态）等待。只有在得到结果之后才会返回（e.g. socket的recv函数）
* 非阻塞：指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回（e.g. socket的send函数，数据写到缓冲区之后立刻返回）
* 同步：在发出一个同步调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回（程序状态，如调用一个函数，此时该线程还可以在CPU上运行）
* 异步：在发出一个异步调用后，调用者不会立刻得到结果，该调用就返回了
* 同步 V.S. 阻塞
    * 表面上看都是“卡住了”，但是阻塞指的是该线程被阻塞（CPU不再运行该线程）；同步指的是程序/调用被阻塞，但是该线程可能还在CPU上面运行
* 两两组合
    * 同步阻塞调用：得不到结果不返回，线程进入阻塞态等待；
    * 同步非阻塞调用：得不到结果不返回，线程不阻塞一直在CPU运行；
    * 异步阻塞调用：去到别的线程，让别的线程阻塞起来等待结果，自己不阻塞；
    * 异步非阻塞调用：去到别的线程，别的线程一直在运行，直到得出结果；
# 大端，小端和名字的由来

* 名字由来 --- 格列佛游记
* 大端 --- 数据的高字节保存在内存的低地址中
* 小端 --- 数据的低字节

# 字节对齐

* 基本的数据类型对齐，int 4，char 1，double 8...
* 结构体，类的长度对齐
* 原因：CPU加载数据常常是从对齐地址开始加载的；CPU一次不是加载1byte，而是多byte

# memcpy和memmove

* memcpy比memmove效率更高，更快

* memcpy不会检查有无地址有无重叠，所以可能会出错

* memmove会检查地址有无重叠，若有重叠会把src先拷贝到tmp再拷贝到dst

* 实现：

```cpp
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n) {
    // 注意要先转换为char*
    char * srcC = (char*) src;
    char * dstC = (char*) dest;
    while (n >= 0) {
        *srcC++ = *dstC++;
    }
    return dest;
}
```
# 堆 vs 栈

* 分配方式不同 --- 堆，程序申请，自行管理；栈，操作系统分配
* 管理方式不同 --- 堆，程序管理；栈，操作系统管理
* 运行效率不同 --- 栈的效率比堆高