操作系统与计算机网络 面试知识点

操作系统与计算机网络

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面试中经常考查的计算机基础知识以及Java语言特性。计算机的基础知识是工程师基本能力的体现，也是面试前必须要牢牢掌握的部分。

操作系统

第一个，我们来看看操作系统相关知识的汇总。操作系统知识对于服务问题的排查定位十分重要，在面试时一般以了解和应用考察为主，面试题目占的比重一般不会太高。

进程与线程

进程与线程是一个非常重要的考察点，首先需要掌握它们的区别和联系。

• 进程是系统资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位，
• 进程使用独立的数据空间，而线程共享进程的数据空间。

进程调度，简单了解进程的几种调度算法就可以了。

• 时间片轮转调度
• 先来先服务调度优先级调度
• 多级反馈队列调度
• 高响应比优先调度

进程间通信(ipc)

六种进程通讯方式的原理和适用场景。

• Pipe
• MessageQueue(进程间数据交换的场景)
• 共享内存(进程间数据共享的场景)
• UnixSocket(进程间数据交换的场景)
• Signal
• Semaphore

协程

协程，更轻量化，是在用户态进行调度，切换的代价比线程上下文切换要低很多了。

Linux命令

• awk
• top
• netstat
• grep
• less
• tail

扩展知识点

• 内存分页管理与Swap机制
• 任务队列与CPU load。
• 内存屏障
• 指令乱序
• 分支预测
• CPU亲和性等。

计算机网络

计算机网络也是非常重要的基础知识，服务之间通过不同的网络协议进行交互，例如http协议，rpc协议等。网络的四七层模型，这是网络知识的基础。

另外两个非常重要的网络协议就是http和TCP了。这两个协议也是服务交互中使用最多的协议。

TCP协议

知识点

• TCP协议中的三次握手建连，四次挥手断连。
• TCP的报文状态标志与连接状态，在排查网络问题时非常重要，必须要明白协议状态，方便抓包分析。
• Nagel算法和ACK延迟，需要了解产生的背景是要解决小包问题，提高数据载荷比。知道对于延迟比较敏感，且发送数据频率较低的场景，可以关闭Nagel算法。
• 关于TCP的keepalive是一种长时间没有数据发送的场景下，TCP保持连接可用的机制，需要知道keepalive的开启和设置方式。
• 通过滑动窗口机制来实现流量控制。

特性

• TCP是传输层协议，对应OSI网络模型的第四层传输层。
• TCP协议的特点是基于连接，也就是传输数据前需要先建立好连接，然后再进行传输。
• TCP连接一旦建立，就可以在连接上进行双向的通信。
• TCP的传输是基于字节流，而不是报文。将数据按自己大小进行编号，接收端通过ACK来确认收到的数据编号。通过这种机制TCP协议能够保证接收数据的有序性和完整性。因此TCP能够提供可靠性传输
• TCP还能提供流量控制能力，通过滑动窗口来控制数据的发送速率。滑动窗口的本质是动态缓冲区，接收端根据自己的处理能力，在TCP的Header中动态调整窗口大小，通过ACK应答包通知给发送端，发送端根据窗口的大小调整发送的速度，仅仅有了流量控制能力还不够。
• TCP协议还考虑到了网络问题可能会导致大量重传，进而导致网络情况进一步恶化。因此TCP协议还提供了拥塞控制。TCP处理拥塞控制主要是用到了慢启动，拥塞避免、拥塞发生快速恢复是个算法
• TCP协议的报文状态，滑动窗口的工作流程，keepalive的参数设置和Neagel算法的规则等一些细节。
• 有典型的TCP协议问题，例如特定场景下和Nagel和Ack延迟机制配合使用，可能会出现延迟40毫秒超时后才能回复ACK包的问题。

三次握手

TCP建连的三次握手。TCP是基于连接的，所以在传输数据前需要先建立连接。TCP在传输上是双工传输，不区分Client端与Server端。为了便于理解，我们把主动发起建连请求的一端称作Client端，把被动建立连接的一端称作Server端。

• 首先建立连接前需要Server端先监听端口，因此Server端建立连接前的初始状态就是LISTEN状态。
• 这时Client端，准备建立连接，先发送一个SYN同步包，发送完同步包后，Client端的连接状态就变成了SYN_SEND的状态。
• Server端收到SYN后同意建立连接，会向Client端回复一个ACK。由于TCP是双工传输，Server端也会同时向Client端发送一个同步请求SYN申请。Server向Client的方向建立连接，
• 发送完ACK和SYN后，Server端的连接状态就变成了SYN_RCVD。
• Client收到Server的ACK后，Client端的连接状态就变成了ESTABLISHED的状态。
• 同时Client端向Server端发送ACK响应，回复Server端的SYN请求，Server端收到Server端的ACK后Server的连接状态，也就变成了ESTABLISHED的状态。此时建连完成，双方随时可以进行数据传输。

SYN洪水攻击发生的原因，就是Server端收到Client端的SYN请求后发送了ACK和SYN但是Client端不进行回复，导致Server端大量的连接处在SYN_RCVD状态，进而影响其他正常请求的建连。

可以通过设置Linux的TCP参数tcp_synack_retries 等于0来加快半连接的回收速度，或者调大tcp_max_syn_backlog来应对少量的SYN洪水攻击。

四次挥手

再来看看TCP的断连，TCP连接的关闭，通讯双方都可以先发起。我们暂且把先发起的一方看作Client

• 通信中的Client和Server两端的连接状态都是ESTABLISHED的状态。
• 然后Client端先发起了关闭连接请求。Client向Server发送了一个FIN包，表示Client端已经没有数据要发送了，然后Client端就进入了FIN_WAIT_1状态。
• Server端收到FIN后返回ACK然后进入CLOSE_WAIT的状态。此时Server属于半关闭状态，因为此时Client向Server方向已经不会再发送数据了，可是Server向Client可能还有数据要发送。
• 当Server端数据发送完毕后，Server端会向Client端发送FIN表示Server端也没有数据要发送。这时Server进入LAST_ACK状态，就等待Client端的应答，就可以关闭连接了。
• Client端收到Server端的FIN后回复ACK然后进入TIME_WAIT为的状态，TIME_WAIT的状态下需要等待2MSL就是最大报文段生存时间，来保证连接的可靠关闭，之后才会进入CLOSED状态。
• 而Server端收到ACK后，直接就可以进入CLOSED状态。

为什么需要等待2MSL之后才能关闭连接？
原因有两个：

• 要保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭。
• 要保证这次连接中重复的数据段能够从网络中消失，防止端口被重用的时候可能会产生数据混淆。

从交互流程上可以看出，无论是建连还是断连，都是需要在两个方向上进行，只不过见建连SYN和ACK两个包合并为一次发送，而断开连接时两个方向的数据发送的时间可能是不同的，所以无法合并FIN和ACK发送，这就是建连的时候必须要三次握手，而断连的时候必须要四次的原因。

实际应用中有可能会遇到大量Socket处在TIME_WAIT或者CLOSED_WAIT的状态的问题。一般开启Linux的tcp_tw_reuse、tcp_tw_recycle能够加快TIME_WAIT的状态的回收，而出现大量的CLOSED_WAIT的状态，一般是被动关闭的一方可能存在代码的bug，没有正确关闭连接导致的。

http协议

• http协议的规范，
• 协议中的Method、Header、Cookies，
• 需要了解常见的状态码含义，例如404、503、302等。
• https的交互流程。

http2

• 多路复用
• Stream流式交互
• 流量控制
• 服务端推送
• 头部压缩

UDP

UDP也是一个比较常见的传输层协议。UDP的特点是非连接非可靠传输，但是效率非常高。
QUIC协议已经被标准化为http3协议，

QUIC

QUIC是基于UDP协议的，但QUIC提供了类似TCP的可靠性保障和流量控制。QUIC可以有效避免http2协议的前续包阻塞问题，能实现零RTT建连、提供FEC前向纠错能力。

设计模式

前面说了操作系统和网络知识。第三个是设计模式的考察点，一般有两个，一个是常用设计模式的实现，另外一个是设计模式的使用场景，也就是每个设计模式用来解决什么样的问题，在什么场景下该使用什么样的设计模式？

最常见的设计模式有:

• 单例模式
• 工厂模式
• 代理模式
• 构造者模式、
• 责任链模式，
• 适配器模式
• 观察者模式等

设计模式，共23种，其中

创建型的有五种:

• 工厂方法模式
• 抽象工厂模式
• 单例模式
• 建造者模式
• 原型模式

结构型的有七种:

• 适配器模式
• 装饰器模式
• 代理模式
• 外观模式
• 桥接模式
• 组合模式
• 享元模式

行为型的有11种、

• 策略模式
• 模板方法模式
• 观察者模式
• 迭代子模式
• 责任链模式
• 命令模式
• 备忘录模式
• 状态模式
• 访问者模式
• 终结者模式
• 解释器模式