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2024-10-13 08:35 华为_系统工程师

发布于四川

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面试真题 | 海康威视[20241013]

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1. C++智能指针与Java的GC（垃圾回收机制）有什么区别？

C++智能指针与Java的GC（垃圾回收机制）在内存管理方面存在显著的区别。以下是对这两者的详细对比：

C++智能指针

背景与原理
- C++语言设计之初并未考虑内存管理的自动化，导致程序员需要手动管理内存，这增加了内存泄露和悬垂指针的风险。
- 智能指针是C++中通过类和对象机制实现的一种工具，旨在提供更加安全、简单和方便的内存管理方式。
- 智能指针实际上是一种对象，内部管理着一个指向动态分配内存块的指针，利用RAII（资源获取即初始化）技术确保资源的正确使用和释放。
实现与类型
- 智能指针通常使用引用计数技术来管理内存，即每个智能指针对象都包含一个计数器，记录引用同一内存块的智能指针数量。
- C++11引入了四种智能指针：unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr和auto_ptr（C++17中已被弃用）。
- unique_ptr是独占式智能指针，确保只有一个指针指向资源；shared_ptr是共享式智能指针，允许多个指针共享同一资源；weak_ptr是弱引用智能指针，用于解决循环引用问题；auto_ptr则因存在所有权转移问题而被弃用。
优势与局限
- 智能指针能够自动管理内存，避免内存泄露和悬挂指针等问题。
- 然而，智能指针并不能完全取代原始指针，在某些特殊情况下（如使用C API或管理非堆内存资源）仍需使用原始指针。

Java的GC（垃圾回收机制）

背景与原理
- Java是一种跨平台的纯面向对象编程语言，其内存管理由JVM（Java虚拟机）负责。
- 垃圾回收机制是JVM的自动内存管理机制，通过GC实现，负责识别和回收不再被使用的对象。
实现与算法
- Java的垃圾回收机制主要通过对象的可达性算法（引用链法）来判断对象是否在使用。
- GC Roots作为起点，搜索到的对象被判定为存活，未搜索到的对象则被视为垃圾并回收。
- 垃圾回收算法包括复制算法、标记-整理算法、标记-清除算法和分代收集算法等，JVM会根据实际情况选择合适的算法进行垃圾回收。
优势与特点
- 垃圾回收机制能够自动释放不再被程序引用的对象，简化了程序员的工作。
- 然而，垃圾回收也会消耗CPU资源，且执行时间不确定，可能会影响程序的性能。

面试官可能追问的深入问题

C++智能指针是如何解决循环引用问题的？
- 回答：C++11标准引入了weak_ptr来解决循环引用问题。weak_ptr是一种弱引用智能指针，它不会增加资源的引用计数。当所有的shared_ptr对象都不再需要该资源时，weak_ptr对象会自动失效，从而避免循环引用导致的内存泄露。
Java的垃圾回收机制有哪些常见的垃圾回收器？它们各自的特点是什么？
- 回答：Java常见的垃圾回收器包括Serial GC、Parallel Scavenge GC、CMS GC和G1 GC等。Serial GC适用于小型应用和开发环境，采用标记-整理和复制算法；Parallel Scavenge GC是Serial GC的并行版本，关注吞吐量；CMS GC（Concurrent Mark-Sweep）以最短停顿时间为目标的垃圾收集器；G1 GC（Garbage-First）则是一种面向服务器的垃圾收集器，主要针对具有大量内存和多个处理器的大型机器。
在使用C++智能指针时，需要注意哪些潜在的问题？
- 回答：在使用C++智能指针时，需要注意避免智能指针之间的循环引用、确保智能指针的正确析构以及避免不必要的智能指针转换等问题。此外，还需要根据具体情况选择合适的智能指针类型（如unique_ptr、shared_ptr等）以满足不同的需求。
Java的垃圾回收机制是否会导致内存碎片问题？如何解决？
- 回答：Java的垃圾回收机制在某些情况下可能会导致内存碎片问题。为了解决这个问题，JVM通常会采用标记-整理算法来重新排列存活对象并回收不连续的内存空间。此外，分代收集算法也可以在一定程度上减少内存碎片的产生。

2. 经典TCP/UDP协议中的三次握手和四次挥手过程是什么？

三次握手和四次挥手过程

三次握手（TCP三次握手）：

TCP（传输控制协议）三次握手是用于建立可靠的连接的过程，具体步骤如下：

第一次握手：客户端（Client）向服务器（Server）发送一个SYN（同步序列编号）报文段，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认。SYN报文段中包含一个初始序列号seq=x。
第二次握手：服务器收到SYN报文段后，确认客户端的SYN报文段，同时自己也会发送一个SYN报文段，并附带一个ACK（确认）报文段作为响应，确认客户端的SYN（ack=x+1），表示已收到客户端的请求。此时，服务器进入SYN_RCVD状态。SYN报文段中包含服务器自己的初始序列号seq=y。
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK报文段后，会向服务器发送一个确认报文段ACK，确认已收到服务器的SYN报文段（ack=y+1）。此时，客户端和服务器都进入ESTABLISHED（已建立连接）状态，可以开始传输数据。

四次挥手（TCP四次挥手）：

TCP四次挥手是用于断开一个已经建立的连接的过程，具体步骤如下：

第一次挥手：客户端向服务器发送一个FIN（结束）报文段，请求关闭连接，并进入FIN_WAIT_1状态。
第二次挥手：服务器收到FIN报文段后，会发送一个ACK报文段，确认收到客户端的FIN报文段（ack=x+1），此时服务器进入CLOSE_WAIT状态。客户端收到这个ACK报文段后，进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器关闭连接。
第三次挥手：服务器在确认所有数据已经传输完毕后，会向客户端发送一个FIN报文段，请求关闭连接，并进入LAST_ACK状态。
第四次挥手：客户端收到服务器的FIN报文段后，会发送一个ACK报文段进行确认（ack=y+1），然后客户端进入TIME_WAIT状态，等待足够的时间（通常是2倍的MSL，即最长报文段寿命），以确保服务器收到自己的ACK报文段后，最终关闭连接。服务器收到ACK报文段后，立即关闭连接，进入CLOSED状态。客户端在TIME_WAIT状态等待结束后，也关闭连接，进入CLOSED状态。

面试官追问及回答

追问1：

问题：为什么TCP连接建立需要三次握手，而断开连接需要四次挥手？

回答：

三次握手：为了确保双方都有能力进行通信，并确认对方的接收和发送能力。第一次握手是客户端表明自己有发送能力，第二次握手是服务器确认客户端的发送能力并表明自己有接收和发送能力，第三次握手是客户端确认服务器的接收和发送能力。三次握手之后，双方都能确认对方的收发能力，因此可以开始传输数据。
四次挥手：由于TCP是全双工通信，因此双方都有可能先发起关闭请求。在关闭连接时，一方需要发送FIN报文段表明自己没有数据要发送了，对方收到后需要发送ACK报文段进行确认。但此时，收到FIN报文段的一方可能还有数据要发送，因此不会立即关闭连接，而是等所有数据发送完毕后，再发送一个FIN报文段表明自己也希望关闭连接。这样，总共需要四次挥手才能完成连接的关闭。

追问2：

问题：TIME_WAIT状态存在的意义是什么？为什么需要等待2倍的MSL时间？

回答：

TIME_WAIT状态存在的意义主要是为了确保连接的可靠关闭。具体来说：

确保报文段的最迟到达：在关闭连接时，可能会有一些在网络中延迟的报文段（这些报文段可能在四次挥手的过程中还没有到达对方）。通过设置TIME_WAIT状态，可以确保这些延迟的报文段在到达对方时能够被识别为无效，并被丢弃。
确保旧连接的重用安全：由于TCP连接的四元组（源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号）是唯一的，因此在新的连接建立之前，必须确保旧的连接已经完全关闭。通过设置TIME_WAIT状态，可以确保旧连接的所有报文段都被丢弃，从而避免与新连接发生冲突。

等待2倍的MSL时间是为了确保网络中所有与当前连接相关的报文段都已经被丢弃。MSL是TCP报文段在网络中的最大生存时间，等待2倍的MSL时间可以确保所有可能的延迟报文段都已经超时并被丢弃。

追问3：

问题：如果TCP连接建立时，第三次握手的ACK报文段丢失了，会发生什么情况？

回答：

如果TCP连接建立时，第三次握手的ACK报文段丢失了，会发生以下情况：

客户端：客户端在等待服务器的确认ACK报文段时，会设置一个超时计时器。如果超时计时器超时了还没有收到服务器的ACK报文段，客户端会重新发送SYN报文段，并再次进入SYN_SEND状态。
服务器：服务器在发送SYN+ACK报文段后，会等待客户端的ACK报文段。如果服务器没有收到客户端的ACK报文段，它可能会认为连接建立失败，并关闭连接（这取决于具体的TCP实现和超时设置）。但是，由于服务器已经发送了SYN+ACK报文段，它可能会将状态保持为SYN_RCVD一段时间，等待客户端的ACK报文段。

在实际的网络环境中，这种情况可能会触发TCP的重传机制。如果客户端重新发送了SYN报文段，并且服务器再次发送了SYN+ACK报文段，那么最终双方都有可能成功建立连接。但是，如果这种情况持续发生，可能会导致连接建立失败，或者影响网络的性能。

因此，在实际的网络编程中，我们需要考虑各种可能的异常情况，并采取相应的措施来确保连接的可靠建立。例如，可以设置合理的超时时间、重传次数等参数，以及使用心跳包等机制来检测连接的状态。

3. B树和B+树的区别是什么？操作系统中有哪些地方用到了这些结构？

在嵌入式面试中，针对B树和B+树的区别以及它们在操作系统中的应用，可以这样回答：

B树和B+树的区别

B树和B+树都是常见的数据库索引结构，具有相较于二叉树层级较少、查找效率高的特点。它们之间的主要区别包括：

节点存储数据的方式：
- B树的叶子节点和非叶子节点都会存储数据，指针和数据共同保存在同一节点中。
- B+树的数据则全部保存在叶子节点，非叶子节点只存储索引信息。
查找数据的过程：
- B树需要在各个节点上进行查找，因此查找数据的效率可能不稳定。
- B+树的查找则集中在叶子节点上，非叶子节点仅用于索引定位，每次查找都会从父节点到叶子节点结束，使得查找过程更为高效且稳定。
空间利用率：
- B树每个节点都存储数据，这导致空间利用率相对较低。
- B+树只有叶子节点存储数据，非叶子节点仅存储索引信息，因此空间利用率更高。
结构稳定性：
- B树在插入和删除数据时需要频繁变更树的结构，因此结构相对不稳定。
- B+树则通过将插入和删除操作放在叶子节点上，维护了树结构的稳定性。
范围查找性能：
- B树在范围查找时需要逐个节点进行查找，效率较低。
- B+树则因为所有数据记录都存储在叶子节点上，且叶子节点还维护了一条双向链表，从而大大提高了范围查询的效率。

操作系统中的应用

在操作系统中，B树和B+树因其高效的查找和存储特性而被广泛应用于文件系统和数据库索引结构中。

文件系统：B树因其平衡性和高效的查找、插入、删除操作，在文件系统的目录结构中得到了广泛使用。它能够有效地支持文件系统中大量文件的快速查找和访问。
数据库索引：B+树则因其高效的范围查询和排序操作性能，在数据库索引中占据重要地位。它特别适用于需要频繁进行范围查询和顺序遍历的数据库系统。

面试官可能的追问及回答

追问1：你能详细解释一下B+树叶子节点上的双向链表是如何提高范围查询效率的吗？

回答：在B+树中，所有实际数据都存储在叶子节点上，并且这些叶子节点通过双向链表连接起来。当进行范围查询时，可以从起始节点开始，沿着链表顺序遍历叶子节点，直到找到满足条件的所有记录。这种链表结构避免了在内部节点之间进行多次跳转，从而大大提高了范围查询的效率。

追问2：在嵌入式系统中，为什么B树和B+树比二叉树更适合作为索引结构？

回答：在嵌入式系统中，由于存储空间和计算能力的限制，需要选择一种高效且节省空间的索引结构。B树和B+树作为多路查找树，能够在每个节点存储多个键值，从而减少了树的深度，降低了磁盘I/O访问次数。相比之下，二叉树每个节点只能存储一个键值，导致树的高度较高，查找效率较低。因此，B树和B+树更适合作为嵌入式系统中的索引结构。

追问3：在实际应用中，如何根据具体需求选择B树或B+树作为索引结构？

回答：在实际应用中，选择B树还是B+树作为索引结构取决于具体的需求。如果系统主要进行点查询（即查找单个记录），且对插入和删除操作的性能要求较高，那么B树可能是一个更好的选择。而如果系统需要进行大量的范围查询和排序操作，那么B+树则因其高效的范围查询性能而更具优势。此外，还需要考虑系统的存储空间限制和查询性能要求等因素来做出最终决策。

4. 操作系统中的文件系统是什么样的？

文件系统是操作系统中用于管理数据存储和检索的一种重要机制。它主要负责将数据组织成文件，并为每个文件分配唯一的标识符（即文件名），以便用户可以轻松地访问和操作这些数据。文件系统还负责管理文件的存储空间、权限控制以及提供文件的创建、读取、写入和删除等基本操作。

从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。具体来说，文件系统具备以下功能：

为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取，当用户不再使用时撤销文件等。
为文件分配磁盘空间，管理文件在磁盘上的存储位置，以及管理空闲空间。
实现文件从名字空间到外存地址的映射，即实现文件的按名存取，以对用户透明的方式管理名字空间。
实现文件的共享，并提供文件的保护和保密措施。
向用户提供一个方便实用的接口，提供对文件系统操作命令以及对文件的操作命令，如信息存取、加工等。
负责系统维护及向用户提供相关信息，并保持文件系统的执行效率。

不同类型的文件系统具有不同的特点和适用场景。例如：

FAT文件系统：FAT（File Allocation Table）文件系统是一种简单且广泛应用的文件系统，包括FAT12、FAT16和FAT32版本。它跨平台性强，支持各种操作系统，如Windows、Linux和嵌入式系统，但对文件和目录的访问权限控制较弱。
NTFS文件系统：NTFS（New Technology File System）文件系统是Windows操作系统中常见的文件系统，安全性高，支持文件和目录级别的访问控制列表（ACL），提供更精细的权限管理。它同时支持较大的文件和分区大小，以及高效的磁盘空间管理，并具有日志功能，支持事务操作和恢复功能，提高数据完整性和可靠性。
ext4文件系统：ext4是Linux系统中广泛使用的文件系统，支持延迟分配，减少文件碎片，具备日志功能，防止数据损坏，并支持大文件和大容量存储设备。

此外，根据具体需求，还可以选择其他类型的文件系统，如HFS+和APFS（苹果公司的文件系统）、XFS和ZFS（Unix和Linux系统）等。

以下是面试官可能进行的追问及建议的回答：

面试官追问1：能详细介绍一下文件系统的组成部分吗？

回答：文件系统通常由三部分组成，包括文件系统的接口、对对象操纵和管理的软件集合，以及对象及属性。文件系统的接口是用户与文件系统交互的桥梁，提供了对文件的各种操作命令；对对象操纵和管理的软件集合则负责实现文件系统的各种功能，如文件的创建、读取、写入和删除等；对象及属性则是指文件系统所管理的文件和它们的相关属性。

面试官追问2：在嵌入式系统中，通常会选择哪种文件系统？为什么？

回答：在嵌入式系统中，通常会选择FAT或YAFFS等文件系统。FAT文件系统具有广泛的兼容性和简单的结构，适用于各种存储设备和操作系统。而YAFFS（Yet Another Flash File System）则是专门为NAND闪存设计的文件系统，具有高效的数据读写性能和良好的数据完整性保护机制。选择哪种文件系统取决于具体的嵌入式应用场景和需求。

面试官追问3：文件系统中如何实现文件的共享和保护？

回答：在文件系统中，文件的共享通常是通过网络文件系统（如NFS、SMB/CIFS等）或虚拟文件系统（如VFS）来实现的。这些系统允许不同用户或不同系统之间的文件共享和访问。而文件的保护则主要通过权限控制、加密和备份等方式来实现。权限控制可以限制用户对文件的访问和操作权限；加密则可以保护文件内容不被未经授权的访问和篡改；备份则可以防止文件因意外原因而丢失或损坏。

5. 什么是局部性原理？

局部性原理是计算机科学中的一个重要概念，它指的是处理器在访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。换句话说，处理器在短时间内访问的数据或指令往往具有局部性特征，即它们倾向于在相对较小的内存空间内聚集。

局部性原理可以进一步细分为时间局部性和空间局部性两种：

时间局部性：如果一个数据项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。这是因为程序在执行过程中，往往会重复访问某些数据或指令，特别是在循环和函数调用等结构中。时间局部性使得处理器可以通过缓存等技术来存储最近访问过的数据或指令，从而提高访问速度。
空间局部性：一个内存位置被引用后，不久可能引用附近的内存位置。这是因为程序中的数据通常是以连续的方式存储的，如数组、结构体等。因此，当处理器访问某个内存位置时，很可能会接着访问其附近的内存位置。空间局部性使得处理器可以通过预取等技术来提前加载可能即将被访问的数据，从而提高访问效率。

局部性原理在嵌入式系统中有着广泛的应用。例如，在嵌入式处理器的缓存设计中，局部性原理被用来指导缓存的替换算法和预取策略，以提高缓存的命中率和处理器的性能。此外，在嵌入式系统的内存管理和优化中，也可以利用局部性原理来减少内存碎片、提高内存利用率和降低功耗等。

以下是面试官可能进行的追问及建议的回答：

面试官追问1：局部性原理在嵌入式系统缓存设计中的应用有哪些具体实现？

回答：在嵌入式系统缓存设计中，局部性原理的应用主要体现在以下几个方面：

缓存行设计：缓存通常被划分为多个缓存行，每个缓存行存储多个数据块。这种设计使得当处理器访问某个数据块时，可以同时加载其附近的数据块到缓存中，从而利用空间局部性。
缓存替换算法：常见的缓存替换算法如LRU（Least Recently Used）和LFU（Least Frequently Used）等都考虑了局部性原理。LRU算法认为最近被访问过的数据最有可能再次被访问，因此优先替换最久未被访问的数据；而LFU算法则认为被访问次数最多的数据最有可能再次被访问，因此优先替换访问次数最少的数据。
预取策略：预取策略是根据处理器的访问模式预测未来可能访问的数据，并提前将其加载到缓存中。这种策略可以利用时间局部性和空间局部性来提高缓存的命中率。

面试官追问2：如何量化评价一个程序的局部性好坏？

回答：量化评价一个程序的局部性好坏可以通过以下几个指标来实现：

缓存命中率：缓存命中率是衡量缓存性能的重要指标之一，它表示在访问中命中缓存的数据与总访问次数之比。高命中率意味着缓存能够有效地提供所需的数据，从而提高处理器性能。缓存命中率的高低可以反映程序的局部性好坏。
引用距离：引用距离是指处理器在访问内存时，当前访问的数据与上一次访问的数据之间的距离。较小的引用距离表示处理器更倾向于在较小的内存空间内访问数据，即具有较好的局部性。
循环迭代次数：对于循环结构来说，循环迭代次数越多，说明处理器在循环体内重复访问相同或相邻的数据的可能性越大，因此具有较好的局部性。