c++操作系统

进程通信中的管道实现原理是什么？

操作系统在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信。管道是一种两个进程间进行单向通信的机制。因为这种单向性，管道又称为半双工管道，所以其使用是有一定的局限性的。半双工是指数据只能由一个进程流向另一个进程（一个管道负责读，一个管道负责写）；如果是全双工通信，需要建立两个管道。管道分为无名管道和命名管道，无名管道只能用于具有亲缘关系的进程直接的通信（父子进程或者兄弟进程），可以看作一种特殊的文件，管道本质是一种文件；命名管道可以允许无亲缘关系进程间的通信。

什么是零拷贝：

所谓「零拷贝」描述的是计算机操作系统当中，CPU不执行将数据从一个内存区域（内核态），拷贝到另外一个内存区域（用户态）任务。通过网络传输文件时，这样通常可以节省 CPU 周期和内存带宽。

简述同步与异步的区别，阻塞与非阻塞的区别？

1. 同步与异步的区别：

   同步：是所有的操作都做完，才返回给用户结果。即写完数据库之后，再响应用户，用户体验不好。

   异步：不用等所有操作都做完，就响应用户请求。即先响应用户请求，然后慢慢去写数据库，用户体验较好。

2. 阻塞与非阻塞的区别：

   阻塞：调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回后才能进行下一步动作。

   非阻塞：非阻塞等待，每隔一段时间就去检查IO事件是否就绪。没有就绪就可以做其他事情。

2.59 请介绍一下5种IO模型

1. 阻塞IO：调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回后才能进行下一步动作。
2. 非阻塞IO：非阻塞等待，每隔一段时间就去检查IO事件是否就绪。没有就绪就可以做其他事情。
3. 信号驱动IO：Linux用套接口进行信号驱动IO，安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞，当IO事件就绪，进程收到SIGIO信号，然后处理IO事件。
4. IO多路复用：Linux用select/poll函数实现IO复用模型，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞IO所不同的是这两个函数可以同时阻塞多个IO操作。而且可以同时对多个读操作、写操作的IO函数进行检查。知道有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。
5. 异步IO：Linux中，可以调用aio_read函数告诉内核描述字缓冲区指针和缓冲区的大小、文件偏移及通知的方式，然后立即返回，当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。用户可以直接去使用数据。

前四种模型--阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO和信号驱动IO都属于同步模式，因为其中真正的IO操作(函数)都将会阻塞进程，只有异步IO模型真正实现了IO操作的异步性。

异步和同步的区别就在于，异步是内核将数据拷贝到用户区，不需要用户再自己接收数据，直接使用就可以了，而同步是内核通知用户数据到了，然后用户自己调用相应函数去接收数据

2.61 简述网络七层参考模型，每一层的作用？

OSI七层模型	功能	对应的网络协议	TCP/IP四层概念模型
应用层	文件传输，文件管理，电子邮件的信息处理	HTTP、TFTP, FTP, NFS, WAIS、SMTP	应用层
表示层	确保一个系统的应用层发送的消息可以被另一个系统的应用层读取，编码转换，数据解析，管理数据的解密和加密。	Telnet, Rlogin, SNMP, Gopher	应用层
会话层	负责在网络中的两节点建立，维持和终止通信。	SMTP, DNS	应用层
传输层	定义一些传输数据的协议和端口。	TCP, UDP	传输层
网络层	控制子网的运行，如逻辑编址，分组传输，路由选择	IP, ICMP, ARP, RARP, AKP, UUCP	网络层
数据链路层	主要是对物理层传输的比特流包装，检测保证数据传输的可靠性，将物理层接收的数据进行MAC（媒体访问控制）地址的封装和解封装	FDDI, Ethernet, Arpanet, PDN, SLIP, PPP，STP。HDLC,SDLC,帧中继	数据链路层
物理层	定义物理设备的标准，主要对物理连接方式，电气特性，机械特性等制定统一标准。	IEEE 802.1A, IEEE 802.2到IEEE 802.	数据链路层

上下文切换指的是内核（操作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。

死锁: 是指多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成了互相等待。此时系统产生了死锁。比如两只羊过独木桥，若两只羊互不相让，争着过桥，就产生死锁。

产生的条件：死锁发生有四个必要条件：
（1）互斥条件：进程对所分配到的资源不允许其他进程访问，若其他进程访问，只能等待，直到进程使用完成后释放该资源；

（2）请求保持条件：进程获得一定资源后，又对其他资源发出请求，但该资源被其他进程占有，此时请求阻塞，而且该进程不会释放自己已经占有的资源；

（3）不可剥夺条件：进程已获得的资源，只能自己释放，不可剥夺；

（4）环路等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何解决：

（1）资源一次性分配，从而解决请求保持的问题

（2）可剥夺资源：当进程新的资源未得到满足时，释放已有的资源；

（3）资源有序分配：资源按序号递增，进程请求按递增请求，释放则相反。

说说线程间通信的方式有哪些？

线程间的通信方式包括临界区、互斥量、信号量、条件变量、读写锁：

1. 临界区：每个线程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）（临界资源是一次仅允许一个线程使用的共享资源）。每次只准许一个线程进入临界区，进入后不允许其他线程进入。不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个线程必须互斥地对它进行访问。
2. 互斥量：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才可以访问。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。
3. 信号量：计数器，允许多个线程同时访问同一个资源。
4. 条件变量：通过条件变量通知操作的方式来保持多线程同步。
5. 读写锁：读写锁与互斥量类似。但互斥量要么是锁住状态，要么就是不加锁状态。读写锁一次只允许一个线程写，但允许一次多个线程读，这样效率就比互斥锁要高。

 说说线程同步方式有哪些？

线程间的同步方式包括互斥锁、信号量、条件变量、读写锁：

1. 互斥锁：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才可以访问。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。
2. 信号量：计数器，允许多个线程同时访问同一个资源。
3. 条件变量：通过条件变量通知操作的方式来保持多线程同步。
4. 读写锁：读写锁与互斥量类似。但互斥量要么是锁住状态，要么就是不加锁状态。读写锁一次只允许一个线程写，但允许一次多个线程读，这样效率就比互斥锁要高。

简述mmap的原理和使用场景

原理：mmap是一种内存映射文件的方法，即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中一段虚拟地址的一一对映关系。实现这样的映射关系后，进程就可以采用指针的方式读写操作这一段内存，而系统会自动回写脏页面到对应的文件磁盘上，即完成了对文件的操作而不必再调用read, write等系统调用函数。相反，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间，从而可以实现不同进程间的文件共享。

使用场景：

1. 对同一块区域频繁读写操作；
2. 可用于实现用户空间和内核空间的高效交互
3. 可提供进程间共享内存及相互通信
4. 可实现高效的大规模数据传输。