计算机与操作系统

爱学习的Chloe
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计算机

计算机基本结构有哪几种？

CPU，内存，输入设备，输出设备，总线

为什么计算机使用二进制？

1.实现简单，CPU的IC原件的管脚电压只有0V和5V，低电压表示0，高电压表示1
2.运算规则简单，有利于简化计算机内部结构，提高运算速度
3.二进制中只使用0和1两个数字，传输和处理时不易出错，因而可以保障计算机具有很高的可靠性。
4. 逻辑运算吻合

32位和64位CPU有什么区别？

  1. 最主要的区别在于一次能计算多少字节的数据

cpu是由哪些组件组成的？

控制器，运算器，时钟，寄存器

cpu位宽和线路位宽

一条地址总线一次只能传输0或者1，想要一次获取32位内存地址就需要32条地址总线，这就是线路位宽
32位的CPU一次最多处理32位，所以寻址空间最多2^32=4GB,最多可以操作4GB的内存

程序的执行过程

CPU根据程序计数器获取下一条指令的内存地址，从内存读取指令到寄存器里面，再经过指令译码，然后执行，指令执行过程中如有需要取数，则从内存地址中取数，最后再将结果写入到寄存器中。

a=1+2的过程：

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CPU的GHz的参数是什么意思

1GHz是指时钟频率是1G，也就是1s内能有1G次时钟周期，越快说明时钟周期越短，工作速度越快。

内存，寄存器等存储结构的关系是什么样的？

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CPU怎么知道要访问的内存数据在CPU Cache中呢？

直接映射Cache：把内存地址通过计算（类似于取模）固定映射在一个Cache Line上，
一个内存地址包括三部分：组标记、CPU索引行、偏移量，相当于用这三个参数组成一个key去Cache Line中获取val

cpu cache的缓存一致性

通过总线嗅探机制实现写传播
MESI协议实现事务的串行化

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cache伪共享问题（可以不看）

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怎么解决？
数据填充，让热点数据不要放在一个line中 比如int改成long

基本类型占用字节数

linux软中断和硬中断？

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top命令排查软中断问题

为什么负数要补码？反码，补码，左移右移

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虚拟内存是什么？

为了避免两个进程用同一个内存地址，设计了虚拟内存，让每个进程都能有一套自己的内存地址，然后由CPU中的MMU统一管理。

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内存分段

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什么时候发生swap？

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  • 当内存分配时，产生了内存碎片，通过将内存和磁盘空间swap的方式解决内存碎片的问题。
  • 当内存不够时，内核会淘汰部分内存至磁盘(swap out)，需要的时候再换进来（swap in）

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CPU运行队列有哪几种？（可以不看）

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进程和线程的区别？

进程是系统运行程序和资源分配的基本单位，进程的上下⽂切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等⽤户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。
线程是进程当中的⼀条执⾏流程。线程是CPU调度的基本单位。线程共享，不同的线程共享同一份内存地址空间(java里就是堆)、代码段、文件描述符等，而线程独有的是栈空间和寄存器等，所以上下文切换比进程轻很多

linux内核中，进程和线程都是用tark_struct结构体表示，调度的基本单位也是tark_struct
进程则是程序运行的基本单位

CPU调度线程的策略有哪些？

  • FIFO
    每次从就绪队列选择最先进⼊队列的进程，然后⼀直运⾏，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第⼀个进程接着运⾏。
  • 最短作业优先 优先选择运⾏时间最短的进程来运⾏，会导致运行时间长的进程一直等待
  • 高响应比优先调度 响应比高的优先执行，

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  • 时间片轮转（使用最多的一种）
  • 最高优先级 在时间片轮转的基础上加了优先级
  • 多级反馈队列调度 综合时间片和优先级

进程间通信

  • 管道 所谓的管道，就是内核⾥⾯的⼀串缓存，linux中的 | 就是利用管道，效率低下，只能FIFO，一个写一个读
  • 消息队列 消息队列是保存在内核中的消息链表，优点是可以频繁通信，效率高，缺点是：⼀是通信不及时，⼆是附件也有⼤⼩限制，三是用户态到内核态的数据拷贝
  • 共享内存 共享内存的机制，就是拿出⼀块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样就不用拷贝了
  • 信号量 共享内存可能会修改冲突，信号量其实是⼀个整型的计数器，主要⽤于实现进程间的互斥与同步，⽽不是⽤于缓存进程间通信的数据，jvm的信号量实现也是这样的
  • 信号 对于异常情况下的⼯作模式，就需要⽤「信号」的⽅式来通知进程。比如kill。信号是唯⼀的异步通信机制
  • socket 跨⽹络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了

多线程互斥与同步

互斥

  • 自旋锁 CAS+自旋锁（忙等待锁），由CPU提供的CAS函数实现，用户态实现，不需要切换，
  • 互斥锁 无等待锁（利用等待队列，类似于AQS），对于互斥锁加锁失败⽽阻塞的现象，是由操作系统内核实现的，所以互斥锁加锁失败后会有用户态切换到内核态

同步

利用信号量机制。

锁

互斥锁和自旋锁的对比

  • 互斥锁加锁后释放CPU
  • 自旋锁一直CPU空转（while循环）等待
  • 被锁住的代码执行时间短就用自旋锁，否则用互斥锁

乐观锁和悲观锁 互斥锁和自旋锁都是悲观锁，也就是获取资源前必须先获取锁
乐观锁： 先修改完共享资源，再验证这段时间内有没有发⽣冲突，如果没有其他线程在修改资源，那么操作完成，如果发现有其他线程已经修改过这个资源，就放弃本次操作。

键盘敲⼊A 字⺟时，操作系统期间发⽣了什么？

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linux怎么进行网络IO收发

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IO多路复用

进程可以通过⼀个系统调⽤函数(select/poll/epoll)从内核中一次性获取多个事件;
这块直接看文档：

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DMA

image.png 省掉CPU的参与文件搬运的时间

mmap

image.png 省去了内核到用户空间的数据拷贝

page cache

前面图中的内核缓存区就是page cache,其实就相当于是磁盘的缓存，因为磁盘读的太慢了。
page cache主要有两个点：

  • 缓存最近被访问的数据（LRU）
  • 预读功能 但是大文件会占用掉所有的cache，所以在⾼并发的场景下，针对⼤⽂件的传输的⽅式，应该使⽤「异步 I/O + 直接 I/O（不使用page cache）」来替代零拷⻉技术。

零拷贝

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零拷贝的终极方案

image.png 零拷⻉（Zero-copy）技术，因为我们没有在内存层⾯去拷⻉数据，也就是说全程没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进⾏传输的。只需要 2次上下⽂切换和数据拷⻉次数，就可以完成⽂件的传输，⽽且 2 次的数据拷⻉过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

kafak和RocketMq都使用了这个技术。

Reactor

Reactor用来实现NIO的

  • 单Reactor单线程/进程

image.png redis使用

  • 单Reactor多线程/进程

image.png 因为⼀个 Reactor 对象承担所有事件的监听和响应，⽽且只在主线程中运⾏，在⾯对瞬间⾼并发的场景时，容易成为性能的瓶颈的地⽅

  • 多reactor多线程/进程

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MainReactor只负责连接事件，SubReactor负责read和write事件

Netty就是使用这个模式

Proactor

Proactor用来实现AIO的

C10K问题

linux命令

ls -lh df -h top less awk netstat/ss -ntlp wc -l

linux文件的软链接和硬链接的区别？

小林coding

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