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計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)面試篇

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)別？

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)別？

• 內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）：在內(nèi)核態(tài)下，CPU可以執(zhí)行所有的指令和訪問所有的硬件資源。這種模式下的操作具有更高的權(quán)限，主要用于操作系統(tǒng)內(nèi)核的運(yùn)行。
• 用戶態(tài)（User Mode）：在用戶態(tài)下，CPU只能執(zhí)行部分指令集，無法直接訪問硬件資源。這種模式下的操作權(quán)限較低，主要用于運(yùn)行用戶程序。

進(jìn)程管理

線程和進(jìn)程的區(qū)別是什么？

• 定義：
  • 進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位
  • 線程是任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位。
• 調(diào)度及切換：
  • 每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的代碼和數(shù)據(jù)空間（程序上下文），程序之間的切換會有較大的開銷。
  • 線程可以看做輕量級的進(jìn)程，同一類線程共享代碼和數(shù)據(jù)空間，每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器（PC），線程之間切換的開銷小。
• 內(nèi)存分配：
  • 系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候會為每個(gè)進(jìn)程分配不同的內(nèi)存空間。
  • 對線程而言，除了CPU外，系統(tǒng)不會為線程分配內(nèi)存（線程所使用的資源來自其所屬進(jìn)程的資源），線程組之間只能共享資源。
• 穩(wěn)定性：
  • 進(jìn)程中某個(gè)線程如果崩潰了，可能會導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程都崩潰。
  • 進(jìn)程中的子進(jìn)程崩潰，并不會影響其他進(jìn)程。
• 包含關(guān)系：
  • 沒有線程的進(jìn)程可以看做是單線程的。
  • 如果一個(gè)進(jìn)程內(nèi)有多個(gè)線程，則執(zhí)行過程不是一條線的，而是多條線。

進(jìn)程，線程，協(xié)程的區(qū)別是什么？

• 進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，它擁有自己的獨(dú)立內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源。每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的堆和棧，不與其他進(jìn)程共享。進(jìn)程間通信需要通過特定的機(jī)制，如管道、消息隊(duì)列、信號量等。由于進(jìn)程擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間，因此其穩(wěn)定性和安全性相對較高，但同時(shí)上下文切換的開銷也較大，因?yàn)樾枰４婧突謴?fù)整個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)。
• 線程是進(jìn)程內(nèi)的一個(gè)執(zhí)行單元，也是CPU調(diào)度和分派的基本單位。與進(jìn)程不同，線程共享進(jìn)程的內(nèi)存空間，包括堆和全局變量。線程之間通信更加高效，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯幼x寫共享內(nèi)存。線程的上下文切換開銷較小，因?yàn)橹恍枰４婧突謴?fù)線程的上下文，而不是整個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)。然而，由于多個(gè)線程共享內(nèi)存空間，因此存在數(shù)據(jù)競爭和線程安全的問題，需要通過同步和互斥機(jī)制來解決。
• 協(xié)程是一種用戶態(tài)的輕量級線程，其調(diào)度完全由用戶程序控制，而不需要內(nèi)核的參與。協(xié)程擁有自己的寄存器上下文和棧，但與其他協(xié)程共享堆內(nèi)存。協(xié)程的切換開銷非常小，因?yàn)橹恍枰４婧突謴?fù)協(xié)程的上下文，而無需進(jìn)行內(nèi)核級的上下文切換。協(xié)程需要程序員顯式地進(jìn)行調(diào)度和管理，相對于線程和進(jìn)程來說，其編程模型更為復(fù)雜。

創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程的過程

使用 CompletableFuture 實(shí)現(xiàn)異步協(xié)程

在 Java 中，CompletableFuture 提供了對異步任務(wù)的支持。它允許你定義異步任務(wù)并在任務(wù)完成時(shí)做一些處理，從而實(shí)現(xiàn)類似協(xié)程的效果。

線程運(yùn)行過程中申請到的東西在切換時(shí)是否全部要保存，比如線程中有個(gè)循環(huán)，或者聲明了很多對象，這些是否都要保存，也存在線程私有區(qū)嗎？

• 線程運(yùn)行過程中申請到的東西（如循環(huán)中的狀態(tài)、聲明的局部對象等）在切換時(shí)，不需要全部保存。線程切換時(shí)，操作系統(tǒng)只會保存和恢復(fù)線程的上下文信息（如棧指針、寄存器、程序計(jì)數(shù)器等）。
• 對于局部變量，它們存儲在棧中，線程切換時(shí)會自動保存和恢復(fù)。線程私有區(qū)中的數(shù)據(jù)會保留，因?yàn)樗桥c線程相關(guān)聯(lián)的。

多線程比單線程的優(yōu)勢，劣勢？

• 優(yōu)勢：
  • 提高程序的運(yùn)行效率，可以充分利用多核處理器的資源
  • 同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，加快程序的執(zhí)行速度。
• 劣勢：
  • 存在多線程數(shù)據(jù)競爭訪問的問題，需要通過鎖機(jī)制來保證線程安全，增加了加鎖的開銷，還有死鎖的風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)程切換和線程切換的區(qū)別？

• 進(jìn)程切換：
  • 進(jìn)程是由內(nèi)核管理和調(diào)度的，所以進(jìn)程的切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)。
  • 操作系統(tǒng)需要保存當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)（如寄存器值、程序計(jì)數(shù)器等），然后加載目標(biāo)進(jìn)程的狀態(tài)。這不僅包括虛擬內(nèi)存的切換，還包括內(nèi)核堆棧、文件描述符、信號處理等資源的切換。
• 線程切換：
  • 同一進(jìn)程中的線程共享相同的 虛擬內(nèi)存，所以內(nèi)存切換的開銷要比進(jìn)程切換小。
  • 線程切換只需要保存和加載線程的上下文（如寄存器、棧指針等），而不需要切換整個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間。

進(jìn)程上下文有哪些？

進(jìn)程的上下文切換不僅包含了虛擬內(nèi)存、棧、全局變量等用戶空間的資源，還包括了內(nèi)核堆棧、寄存器等內(nèi)核空間的資源。

進(jìn)程間通訊有哪些方式？

• 管道pipe：用于在同一主機(jī)上的進(jìn)程間傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式。通常在父子進(jìn)程之間使用。
  • 使用內(nèi)存緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)寫入一端后，從另一端讀取。
• 消息隊(duì)列
• 共享內(nèi)存：不同進(jìn)程間共享一塊內(nèi)存區(qū)域的通信方式，允許進(jìn)程直接讀寫這塊共享內(nèi)存。
  • 需要使用 信號量 或 互斥鎖 等同步機(jī)制，避免并發(fā)訪問時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。
• 信號signal：信號是操作系統(tǒng)用來通知進(jìn)程某個(gè)事件發(fā)生的一種機(jī)制。
• 信號量（Semaphore）：信號量是一種用于同步和控制對共享資源的訪問的計(jì)數(shù)器。它可以被視為一個(gè)整數(shù)，用于表示資源的數(shù)量。
• socket：套接字是一種跨網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程間通信方式，通常用于不同主機(jī)之間的通信。它支持面向連接（如 TCP）和無連接（如 UDP）通信。支持全雙工通信。

說一下同步和異步

• 同步（Synchronous）：同步是指任務(wù)的執(zhí)行是按順序進(jìn)行的，后續(xù)任務(wù)必須等前一個(gè)任務(wù)完成后才能開始執(zhí)行。
• 異步（Asynchronous）：異步是指任務(wù)的執(zhí)行不需要等待前一個(gè)任務(wù)完成，任務(wù)可以并行執(zhí)行，后續(xù)任務(wù)可以在前一個(gè)任務(wù)未完成時(shí)開始。

異步過程中誰來通知誰

• 通常是由事件循環(huán)、回調(diào)函數(shù)或Future對象來“通知”A任務(wù)。具體來說，A任務(wù)可以通過await或回調(diào)機(jī)制來等待和接收結(jié)果。
• 如果A任務(wù)依賴于I/O操作或其他異步任務(wù)的完成，通常會使用上述機(jī)制來管理任務(wù)狀態(tài)的切換，確保任務(wù)完成時(shí)，能夠通知A任務(wù)并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。

內(nèi)存管理

堆和棧的區(qū)別？

• 分配方式：堆是動態(tài)分配內(nèi)存，由程序員手動申請和釋放內(nèi)存，通常用于存儲動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和對象。棧是靜態(tài)分配內(nèi)存，由編譯器自動分配和釋放內(nèi)存，用于存儲函數(shù)的局部變量和函數(shù)調(diào)用信息。

• 內(nèi)存管理：堆需要程序員手動管理內(nèi)存的分配和釋放，如果管理不當(dāng)可能會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或內(nèi)存溢出。棧由編譯器自動管理內(nèi)存，遵循后進(jìn)先出的原則，變量的生命周期由其作用域決定，函數(shù)調(diào)用時(shí)分配內(nèi)存，函數(shù)返回時(shí)釋放內(nèi)存。

• 大小和速度：堆通常比棧大，內(nèi)存空間較大，動態(tài)分配和釋放內(nèi)存需要時(shí)間開銷。棧大小有限，通常比較小，內(nèi)存分配和釋放速度較快，因?yàn)槭蔷幾g器自動管理。

虛擬內(nèi)存

• 傳統(tǒng)內(nèi)存：
  • 一次性：作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后才能開始運(yùn)行。
  • 駐留性：一旦作業(yè)被裝入內(nèi)存，就會一直駐留在內(nèi)存中，直至作業(yè)運(yùn)行結(jié)束。
• 虛擬內(nèi)存：虛擬內(nèi)存的最大容量是由計(jì)算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)（CPU尋址范圍）確定的。虛擬內(nèi)存的實(shí)際容量= min{內(nèi)存和外存容量之和，CPU尋址范圍}。32位計(jì)算機(jī)地址結(jié)構(gòu)為4GB。
  • 多次性：無需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一次性全部裝入內(nèi)存，而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存。
  • 對換性：在作業(yè)運(yùn)行時(shí)無需一直常駐內(nèi)存，而是允許在作業(yè)運(yùn)行過程中，將作業(yè)換入、換出。
  • 虛擬性：從邏輯上擴(kuò)充了內(nèi)存的容量，使用戶看到的內(nèi)存容量，遠(yuǎn)大于實(shí)際的容量。

虛擬內(nèi)存實(shí)現(xiàn)有3種方式：請求分頁存儲管理、請求分段存儲管理、請求段頁式存儲管理。

無論哪種方式都需要一定的硬件支持：包括一定容量的內(nèi)存與外存；頁表機(jī)制、段表機(jī)制作為主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；中斷機(jī)制：當(dāng)用戶程序要訪問的部分會調(diào)入內(nèi)存時(shí)產(chǎn)生中斷；地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。

32位與64位總線的操作系統(tǒng)的理論虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存大小=min{內(nèi)存+外存，總線位數(shù)}

• 32位總線大小為4G

• Windows 64 位操作系統(tǒng)通常為每個(gè)進(jìn)程分配 8 TB 的虛擬地址空間。

• Linux 在 x86_64 架構(gòu)下，默認(rèn)每個(gè)進(jìn)程可以使用 128 TB 的虛擬內(nèi)存。

分段，分頁對比

• 存儲特性：

  • 頁是信息的物理單位。分頁的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)離散分配，提高內(nèi)存利用率。分頁僅僅是系統(tǒng)管理上的需要，完全是系統(tǒng)行為，對用戶是不可見的。
  • 段是信息的邏輯單位。分段的主要目的是更好地滿足用戶需求。一個(gè)段通常包含著一組屬于一個(gè)邏輯模塊的信息。

• 存儲大小：

  • 頁的大小固定且由系統(tǒng)決定。
  • 段的長度卻不固定，決定于用戶編寫的程序。

• 用戶進(jìn)程地址維度：

  • 分頁的用戶進(jìn)程地址空間是一維的，程序員只需給出一個(gè)記憶符即可表示一個(gè)地址。
  • 分段的用戶進(jìn)程地址空間是二維的，程序員在標(biāo)識一個(gè)地址時(shí)，既要給出段名，也要給出段內(nèi)地址。

• 碎片問題：

  • 分頁的內(nèi)存利用率高，不會產(chǎn)生外部碎片，只會有少量內(nèi)部碎片。
  • 如果段長過大，會產(chǎn)生外部碎片。

中斷和異常

硬中斷、軟中斷講一下

硬中斷（Hardware Interrupt）和軟中斷（Software Interrupt）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中中斷機(jī)制的兩種基本類型，它們都是用來打斷當(dāng)前的程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而處理一些重要任務(wù)或事件。

• 硬中斷（Hardware Interrupt）：由外部硬件設(shè)備發(fā)出的信號，用來通知CPU有緊急的事件或任務(wù)需要處理。
  • 定時(shí)器中斷：CPU通過定時(shí)器定期中斷自己，以便執(zhí)行操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度。
  • I/O設(shè)備中斷：例如，網(wǎng)絡(luò)接口卡接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，觸發(fā)中斷通知CPU進(jìn)行處理。
• 軟中斷（Software Interrupt）：軟中斷是由程序中的軟件指令觸發(fā)的中斷，它通常用于程序之間的通訊、系統(tǒng)調(diào)用或?qū)崿F(xiàn)某些特定功能。
  • 系統(tǒng)調(diào)用：用戶程序通過觸發(fā)軟中斷向操作系統(tǒng)請求資源，如文件讀寫、進(jìn)程管理等。

異常

異常（Exception），陷入，也成為內(nèi)中斷，來自于CPU內(nèi)部的事件。

如非法操作碼、地址越界、算術(shù)溢出、虛存系統(tǒng)缺頁等等，異常不能被屏蔽，一旦出現(xiàn)應(yīng)當(dāng)立即處理。

網(wǎng)絡(luò)IO

BIO、和NIO、AIO區(qū)別

特性	BIO	NIO	AIO
工作模式	阻塞 I/O，數(shù)據(jù)流模式	非阻塞 I/O，緩沖區(qū) + 通道 + 選擇器	異步 I/O，回調(diào)通知
線程模型	每個(gè)連接一個(gè)線程	多個(gè)通道由單線程管理（通過 Selector）	異步 I/O，無需阻塞或輪詢
I/O 操作	阻塞，直到 I/O 操作完成	非阻塞，可以輪詢多個(gè)通道的事件	異步，不會阻塞，完成時(shí)回調(diào)通知
適用場景	并發(fā)連接數(shù)少，低性能需求	高并發(fā)、大量連接，I/O 密集型應(yīng)用	超高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量 I/O 操作
性能問題	并發(fā)連接數(shù)多時(shí)性能差（線程開銷大）	比 BIO 性能好，但需要輪詢（高并發(fā)時(shí)更有效）	性能非常高，尤其適用于高并發(fā)應(yīng)用

select、poll、epoll 的區(qū)別是什么？

• select：
  • select 是最早出現(xiàn)的一種 I/O 多路復(fù)用機(jī)制，它允許在多個(gè)文件描述符上監(jiān)視是否有 I/O 事件發(fā)生（如可讀、可寫等）。select 調(diào)用會阻塞并等待直到文件描述符集中的某個(gè)或某些文件描述符準(zhǔn)備就緒，之后就返回。
  • 缺點(diǎn)：
    • 文件描述符限制：select 限制了每次監(jiān)視的文件描述符數(shù)量，通常是 1024（可以通過修改編譯時(shí)的宏來增大，但還是有限制）。
    • 性能問題：每次調(diào)用 select 都需要遍歷所有的文件描述符集合，這對于大規(guī)模的文件描述符集會導(dǎo)致性能瓶頸。
    • 重新設(shè)置：每次調(diào)用 select 時(shí)，必須重設(shè)文件描述符集，帶來了額外的開銷。
• poll：
  • poll 是對 select 的改進(jìn)，具有與 select 相似的功能，但沒有文件描述符數(shù)量限制。poll 用一個(gè) pollfd 結(jié)構(gòu)體數(shù)組來表示多個(gè)文件描述符及其事件，它返回時(shí)會告知哪些文件描述符有 I/O 事件發(fā)生。
  • 優(yōu)點(diǎn)：
    • 沒有文件描述符限制：相較于 select，poll 不再有最大文件描述符數(shù)量的限制。
    • 動態(tài)文件描述符集合：poll 可以動態(tài)地管理文件描述符集合，而不需要像 select 一樣每次都重設(shè)整個(gè)集合。
  • 缺點(diǎn)：
    • 性能瓶頸：盡管去除了文件描述符的數(shù)量限制，但 poll 仍然需要遍歷整個(gè)文件描述符集合，每次調(diào)用時(shí)都需要遍歷整個(gè)數(shù)組，這對于大量文件描述符來說性能較差。
    • 返回值不夠直觀：poll 只是返回哪些文件描述符有事件發(fā)生，沒有直接告訴應(yīng)用程序事件發(fā)生的位置，因此需要遍歷 pollfd 數(shù)組進(jìn)行判斷。
• epoll：
  • epoll 是 Linux 中引入的 I/O 多路復(fù)用機(jī)制，是對 select 和 poll 的進(jìn)一步優(yōu)化，專門為高并發(fā)場景設(shè)計(jì)。epoll 使用事件驅(qū)動的機(jī)制，提供了更高效的事件通知方式。epoll 會通過內(nèi)核級別的事件通知，不需要每次遍歷所有的文件描述符，只有在某些文件描述符準(zhǔn)備就緒時(shí)，內(nèi)核才會通知用戶進(jìn)程。
  • 優(yōu)點(diǎn)：
    • 無文件描述符數(shù)量限制：epoll 不受文件描述符數(shù)量限制，可以處理成千上萬的連接。
    • 高效的性能：epoll 使用基于回調(diào)的機(jī)制，只在事件發(fā)生時(shí)通知用戶程序，不需要每次都遍歷文件描述符集合。
    • 邊緣觸發(fā)和水平觸發(fā)：epoll 支持兩種觸發(fā)模式，水平觸發(fā)（Level Triggered）和邊緣觸發(fā)（Edge Triggered），提供了更靈活的控制。
    • 內(nèi)存管理：epoll 在內(nèi)核中維護(hù)一個(gè)事件通知隊(duì)列，通過 epoll_wait 來通知應(yīng)用程序哪些文件描述符有事件發(fā)生，效率較高。
  • 缺點(diǎn):
    • 只能在 Linux 上使用：epoll 是 Linux 特有的系統(tǒng)調(diào)用，無法在其他操作系統(tǒng)上使用。
    • 復(fù)雜度較高：相較于 select 和 poll，epoll 需要更復(fù)雜的設(shè)置和管理，尤其是在使用邊緣觸發(fā)模式時(shí)。

epoll過程

1. lfd=socket()創(chuàng)建lfd套接字—>bind()綁定地址—>listen()設(shè)置監(jiān)聽上限—>epoll_create()創(chuàng)建監(jiān)聽紅黑樹—>epoll_ctl()把lfd加入紅黑樹—>while(1) 服務(wù)器端上線等待連接。
2. epoll_wait()服務(wù)器監(jiān)聽—>有事件發(fā)生—>epoll_wait()返回監(jiān)聽滿足數(shù)組—>一旦有事件發(fā)生則lfd一定在滿足數(shù)組中，lfd進(jìn)行accept()—>用lfd進(jìn)行accept()返回的連接套接字cfd放到紅黑樹中—>執(zhí)行讀操作—>進(jìn)行大小寫轉(zhuǎn)換操作—>把cfd節(jié)點(diǎn)的屬性從EPOLLIN變?yōu)?code>EPOLLOUT—>再把cfd重新掛上紅黑樹去監(jiān)聽寫事件—>等待epoll_wait()返回—>有返回說明能寫—>執(zhí)行寫操作—>把cfd從紅黑樹中拿下來—>再把cfd節(jié)點(diǎn)的屬性從EPOLLIN變?yōu)?code>EPOLLOUT—>再把cfd重新掛上紅黑樹去監(jiān)聽讀事件—>epoll_wait()服務(wù)器監(jiān)聽。從而形成一個(gè)完美的閉環(huán)。

epoll 的 邊緣觸發(fā)和水平觸發(fā)有什么區(qū)別？

epoll 支持兩種事件觸發(fā)模式，分別是邊緣觸發(fā)（edge-triggered，ET）和水平觸發(fā)（level-triggered，LT）。

特性	水平觸發(fā) (LT)	邊緣觸發(fā) (ET)
通知方式	當(dāng)文件描述符的事件條件滿足時(shí)，每次調(diào)用都會返回	只有文件描述符的事件從未就緒變?yōu)榫途w時(shí)才通知一次
事件處理	只要事件沒有處理完，epoll 會繼續(xù)返回該文件描述符	事件一旦通知后，必須完全處理，否則不會再次通知
是否重復(fù)通知	會重復(fù)通知，直到事件完全處理	不會重復(fù)通知，只有狀態(tài)變化時(shí)才通知一次
適用場景	適合大多數(shù)簡單應(yīng)用，處理事件比較慢時(shí)使用	適合高性能、高并發(fā)應(yīng)用，要求迅速處理事件
性能	性能較低，重復(fù)通知會增加開銷	性能較高，因?yàn)椴恢貜?fù)通知
實(shí)現(xiàn)難度	簡單，容易實(shí)現(xiàn)	稍復(fù)雜，要求處理得當(dāng)，否則可能錯(cuò)過事件通知

• 使用水平觸發(fā)模式，當(dāng)內(nèi)核通知文件描述符可讀寫時(shí)，接下來還可以繼續(xù)去檢測它的狀態(tài)，看它是否依然可讀或可寫。
• 使用邊緣觸發(fā)模式，I/O 事件發(fā)生時(shí)只會通知一次，而且我們不知道到底能讀寫多少數(shù)據(jù)，所以在收到通知后應(yīng)盡可能地讀寫數(shù)據(jù)，以免錯(cuò)失讀寫的機(jī)會。因此，我們會循環(huán)從文件描述符讀寫數(shù)據(jù)，那么如果文件描述符是阻塞的，沒有數(shù)據(jù)可讀寫時(shí)，進(jìn)程會阻塞在讀寫函數(shù)那里，程序就沒辦法繼續(xù)往下執(zhí)行。所以，邊緣觸發(fā)模式一般和非阻塞 I/O 搭配使用，程序會一直執(zhí)行 I/O 操作，直到系統(tǒng)調(diào)用返回錯(cuò)誤，錯(cuò)誤類型為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

redis，nginx，netty 是依賴什么做的這么高性能？

主要是依賴Reactor 模式實(shí)現(xiàn)了高性能網(wǎng)絡(luò)模式，這個(gè)是在i/o多路復(fù)用接口基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的了網(wǎng)絡(luò)模型。

Reactor 模式主要由 Reactor 和處理資源池這兩個(gè)核心部分組成，它倆負(fù)責(zé)的事情如下：

• Reactor 負(fù)責(zé)監(jiān)聽和分發(fā)事件，事件類型包含連接事件、讀寫事件；
• 處理資源池負(fù)責(zé)處理事件，如 read -> 業(yè)務(wù)邏輯 -> send；

Redis

Redis 6.0 之前使用的 Reactor 模型就是單 Reactor 單進(jìn)程模式。

• 因?yàn)橹挥幸粋€(gè)進(jìn)程，無法充分利用 多核 CPU 的性能；
• Handler 對象在業(yè)務(wù)處理時(shí)，整個(gè)進(jìn)程是無法處理其他連接的事件的，如果業(yè)務(wù)處理耗時(shí)比較長，那么就造成響應(yīng)的延遲

單 Reactor 單進(jìn)程的方案不適用計(jì)算機(jī)密集型的場景，只適用于業(yè)務(wù)處理非常快速的場景。所以Redis的瓶頸不在CPU上，網(wǎng)絡(luò)IO才是瓶頸。

因此在Redis6.0后，Redis 在啟動的時(shí)候，默認(rèn)情況下會額外創(chuàng)建 6 個(gè)線程（這里的線程數(shù)不包括主線程）：

• Redis-server ： Redis的主線程，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行命令。
• bio_close_file、bio_aof_fsync、bio_lazy_free：三個(gè)后臺線程，分別異步處理關(guān)閉文件任務(wù)、AOF刷盤任務(wù)、釋放內(nèi)存任務(wù)；
• io_thd_1、io_thd_2、io_thd_3：三個(gè) I/O 線程，io-threads 默認(rèn)是 4 ，所以會啟動 3（4-1）個(gè) I/O 多線程，用來分擔(dān) Redis 網(wǎng)絡(luò) I/O 的壓力。

Netty

Netty 是采用了多 Reactor 多線程方案

每個(gè)客戶端通過通道（Channel）與服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，客戶端通過端口向服務(wù)端發(fā)送連接請求。服務(wù)端使用一個(gè)線程，通過多路復(fù)用器（Selector）來監(jiān)聽多個(gè)客戶端的連接請求和數(shù)據(jù)事件，服務(wù)端會將每個(gè)客戶端的通道注冊到 Selector 上進(jìn)行管理。

• 主線程和子線程分工明確，主線程只負(fù)責(zé)接收新連接，子線程負(fù)責(zé)完成后續(xù)的業(yè)務(wù)處理。
• 主線程和子線程的交互很簡單，主線程只需要把新連接傳給子線程，子線程無須返回?cái)?shù)據(jù)，直接就可以在子線程將處理結(jié)果發(fā)送給客戶端。

Netty特點(diǎn)：

• 事件驅(qū)動和異步機(jī)制：通過回調(diào)機(jī)制處理I/O結(jié)果
• boss-worker：boss只負(fù)責(zé)管理，具體處理交給worker，還有更加智能的線程管理
• 內(nèi)存管理優(yōu)化：采用內(nèi)存池化區(qū)別于傳統(tǒng)每次讀取都會分配新的字節(jié)數(shù)組
• 支持多種協(xié)議：不僅有tcp、udp還有http、https、websocket等等

Nginx

nginx 是多 Reactor 多進(jìn)程方案，不過方案與標(biāo)準(zhǔn)的多 Reactor 多進(jìn)程有些差異。

• 主進(jìn)程中僅僅用來初始化 socket，并沒有創(chuàng)建 mainReactor 來 accept 連接
• 由子進(jìn)程的 Reactor 來 accept 連接，通過鎖來控制一次只有一個(gè)子進(jìn)程進(jìn)行 accept（為了避免多個(gè)子進(jìn)程同時(shí)響應(yīng)同一個(gè)請求，也就是驚群現(xiàn)象），子進(jìn)程 accept 新連接后就放到自己的 Reactor 進(jìn)行處理，不會再分配給其他子進(jìn)程。

零拷貝是什么？

• 傳統(tǒng) IO 的工作方式，從硬盤讀取數(shù)據(jù)，然后再通過網(wǎng)卡向外發(fā)送，我們需要進(jìn)行 4 上下文切換，和 4 次數(shù)據(jù)拷貝，其中 2 次數(shù)據(jù)拷貝發(fā)生在內(nèi)存里的緩沖區(qū)和對應(yīng)的硬件設(shè)備之間，這個(gè)是由 DMA 完成，另外2 次則發(fā)生在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間，這個(gè)數(shù)據(jù)搬移工作是由 CPU 完成的。

  

• 零拷貝技術(shù)，它通過一次系統(tǒng)調(diào)用（sendfile 方法）合并了磁盤讀取與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送兩個(gè)操作，降低了上下文切換次數(shù)。另外，拷貝數(shù)據(jù)都是發(fā)生在內(nèi)核中的，天然就降低了數(shù)據(jù)拷貝的次數(shù)。使用 sendfile()，內(nèi)核直接將文件內(nèi)容從磁盤緩沖區(qū)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)接口，無需通過用戶空間。

  

適用場景：

• Web 服務(wù)器：在 Web 服務(wù)器中，零拷貝可以用來提高大文件（如視頻、圖片等）的傳輸效率。例如，Nginx 使用了 sendfile() 實(shí)現(xiàn)零拷貝。
• 高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：零拷貝特別適用于需要頻繁進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，如文件傳輸、數(shù)據(jù)庫備份、視頻流等。
• 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫的磁盤和網(wǎng)絡(luò)傳輸操作常常使用零拷貝技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)讀取和寫入的效率。