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《图解网络-小林》学习笔记

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

例如：随着人工智能的不断发展，机器学习这门技术也越来越重要，很多人都开启了学习机器学习，本文就介绍了机器学习的基础内容。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、硬件结构

1. 存储器金字塔

L1 Cache 通常会分为「数据缓存」和「指令缓存」，这意味着数据和指令在 L1 Cache 这⼀层是分
开缓存的
2. CPU缓存各级关系

越靠近 CPU 核⼼的缓存其访问速度越快，CPU 访问 L1 Cache 只需要 2~4 个时钟周期，访问 L2 Cache⼤约 10~20 个时钟周期，访问 L3 Cache ⼤约 20~60 个时钟周期，⽽访问内存速度⼤概在 200~300个 时钟周期之间。

所以，CPU 从 L1 Cache 读取数据的速度，相⽐从内存读取的速度，会快 100 多倍。

内存地址映射到 CPU Cache 地址⾥的策略有很多种，其中⽐较简单是直接映射 Cache，它巧妙的把内存
地址拆分成**「索引 + 组标记 + 偏移量」**的⽅式，使得我们可以将很⼤的内存地址，映射到很⼩的 CPU
Cache 地址⾥。

3. 问题来了，那在什么时机才把 Cache 中的数据写回到内存呢？

• 保持内存与 Cache ⼀致性最简单的⽅式是，把数据同时写⼊内存和 Cache 中，这种⽅法称为写直达（Write Through）。

4. 软中断

• 为了避免由于中断处理程序执⾏时间过⻓，⽽影响正常进程的调度，Linux 将中断处理程序分为上半部和下
  半部：
• 上半部，对应硬中断，由硬件触发中断，⽤来快速处理中断；
• 下半部，对应软中断，由内核触发中断，⽤来异步处理上半部未完成的⼯作；

二、操作系统结构

1. 三种内核架构

• 宏内核，包含多个模块，整个内核像⼀个完整的程序；
• 微内核，有⼀个最⼩版本的内核，⼀些模块和服务则由⽤户态管理；
• 混合内核，是宏内核和微内核的结合体，内核中抽象出了微内核的概念，也就是内核中会有⼀个⼩型的内核，其他模块就在这个基础上搭建，整个内核是个完整的程序。

Linux 的内核设计是采⽤了宏内核，Window 的内核设计则是采⽤了混合内核。
Linux 可执⾏⽂件格式叫作 ELF，Windows 可执⾏⽂件格式叫作 PE。

三、内存管理

1. 操作系统会提供⼀种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。
   如果程序要访问虚拟地址的时候，由操作系统转换成不同的物理地址，这样不同的进程运⾏的时候，写⼊的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。
2. 我们程序所使⽤的内存地址叫做虚拟内存地址（Virtual Memory Address）。实际存在硬件⾥⾯的空间地址叫物理内存地址（Physical Memory Address）。
3. 操作系统是如何管理虚拟地址与物理地址之间的关系？

• 主要有两种⽅式，分别是内存分段和内存分⻚，分段是⽐较早提出的，我们先来看看内存分段。
• 分段的办法很好，解决了程序本身不需要关⼼具体的物理内存地址的问题，但它也有⼀些不⾜之处：
  第⼀个就是内存碎⽚的问题。
  第⼆个就是内存交换的效率低的问题
• 为了解决内存分段的内存碎⽚和内存交换效率低的问题，就出现了内存分⻚。
  分段的好处就是能产⽣连续的内存空间，但是会出现内存碎⽚和内存交换的空间太⼤的问题。
  要解决这些问题，那么就要想出能少出现⼀些内存碎⽚的办法。
  分⻚是把整个虚拟和物理内存空间切成⼀段段固定尺⼨的⼤⼩。这样⼀个连续并且尺⼨固定的内存空间， 我们叫⻚（Page）。在 Linux 下，每⼀⻚的⼤⼩为 4KB 。
  

4. 段⻚式内存管理
   内存分段和内存分⻚并不是对⽴的，它们是可以组合起来在同⼀个系统中使⽤的，那么组合起来后，通常称为段⻚式内存管理。地址结构就由段号、段内⻚号和⻚内位移三部分组成。
   段⻚式地址变换中要得到物理地址须经过三次内存访问：

• 第⼀次访问段表，得到⻚表起始地址；
• 第⼆次访问⻚表，得到物理⻚号；
• 第三次将物理⻚号与⻚内位移组合，得到物理地址。

5. Linux内存管理

• Linux 内存主要采⽤的是⻚式内存管理，但同时也不可避免地涉及了段机制。

四、进程与线程

1. 当进程要从硬盘读取数据时，CPU 不需要阻塞等待数据的返回，⽽是去执⾏另外的进程。当硬盘数据返回时，CPU 会收到个中断，于是 CPU 再继续运⾏这个进程。
2. 在⼀个进程的活动期间⾄少具备三种基本状态，即运⾏状态、就绪状态、阻塞状态。
   
   
   3.进程和线程的区别
   线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位。

4.调度算法
4.1 先来先服务调度算法(First Come First Services FCFS)

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。

• FCFS不利于短作业，当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长。
• FCFS对长作业有利，适用于CPU繁忙型作业的系统，而不适用于I/0繁忙型作业的系统。

4.2 短作业优先调度算法（Shortest Job First,SJF）

优先选择运行时间最短的进程来运行，有助于提高系统吞吐量。

• SJF不利于长作业，很容易造成一种极端现象。比如，⼀个⻓作业在就绪队列等待运⾏，⽽这个就绪队列有⾮常多的短作业，那么就会使得⻓作业不断的往后推，周转时间变⻓，致使⻓作业⻓期不会被运⾏。

前⾯的「先来先服务调度算法」和「最短作业优先调度算法」都没有很好的权衡短作业和⻓作业

4.3 高响应比优先调度算法（Highest Response Ratio Next, HRRN）

• HRRN主要是权衡了短作业和长作业。
  每次进⾏进程调度时，先计算「响应⽐优先级」，然后把「响应⽐优先级」最⾼的进程投⼊运⾏，
  
  4.4 时间片轮转调度算法（Round Robin,RR）
  
  每个进程被分配⼀个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运⾏。

• 如果时间⽚⽤完，进程还在运⾏，那么将会把此进程从 CPU 释放出来，并把 CPU 分配给另外⼀个进程；

• 如果该进程在时间⽚结束前阻塞或结束，则 CPU ⽴即进⾏切换；
  ⼀般来说，时间⽚设为 20ms~50ms 通常是⼀个⽐较合理的折中值

4.5 最高级优先级调度算法（Highest Priority First，HPF）
该算法也有两种处理优先级⾼的⽅法，⾮抢占式和抢占式：

• ⾮抢占式：当就绪队列中出现优先级⾼的进程，运⾏完当前进程，再选择优先级⾼的进程。
• 抢占式：当就绪队列中出现优先级⾼的进程，当前进程挂起，调度优先级⾼的进程运⾏。

但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运⾏。

4-6 多级反馈队列调度算法（Multilevel Feedback Queue）
多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）调度算法是「时间⽚轮转算法」和「最⾼优先级算法」的综合和发展。

• 「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从⾼到低，同时优先级越⾼时间⽚越短。
• 「反馈」表示如果有新的进程加⼊优先级⾼的队列时，⽴刻停⽌当前正在运⾏的进程，转⽽去运⾏优
  先级⾼的队列；
  

面试常见问题

8. 并发和并行有什么区别？
   
   4.2 进程间通信
   
   4.2.1 管道
   

• 所谓的管道，就是内核⾥⾯的⼀串缓存
• 管道的通信⽅式是效率低的，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。

4.2.2 消息队列

• 消息队列解决管道通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。
• 消息队列的通信模式就可以解决。⽐如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。
• 消息队列⽣命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会⼀直存在，⽽前⾯提到的匿名管道的⽣命周期，是随进程的创建⽽建⽴，随进程的结束⽽销毁。

消息队列缺点：

• ⼀是通信不及时
• ⼆是附件也有⼤⼩限制，消息队列不适合⽐较⼤数据的传输

4.2.3 共享内存
消息队列的读取和写⼊的过程，都会有发⽣⽤户态与内核态之间的消息拷⻉过程。那共享内存的⽅式，就很好的解决了这⼀问题。

• 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

面试常见问题

1.为什么负数要⽤补码表示？

负数之所以⽤补码的⽅式来表示，主要是为了统⼀和正数的加减法操作⼀样，毕竟数字的加减法是很常⽤的⼀个操作，就不要搞特殊化，尽量以统⼀的⽅式来运算。

2.⼗进制⼩数怎么转成⼆进制？

⼗进制整数转⼆进制使⽤的是「除 2 取余法」，⼗进制⼩数使⽤的是「乘 2 取整法」。

3.计算机是怎么存⼩数的？

计算机是以浮点数的形式存储⼩数的，⼤多数计算机都是 IEEE 754 标准定义的浮点数格式，包含三个部分：

• 符号位：表示数字是正数还是负数，为 0 表示正数，为 1 表示负数；
• 指数位：指定了⼩数点在数据中的位置，指数可以是负数，也可以是正数，指数位的⻓度越⻓则数值的表达范围就越⼤；
• 尾数位：⼩数点右侧的数字，也就是⼩数部分，⽐如⼆进制 1.0011 x 2^(-2)，尾数部分就是 0011，⽽且尾数的⻓度决定了这个数的精度，因此如果要表示精度更⾼的⼩数，则就要提⾼尾数位的⻓度；

4. 0.1 + 0.2 == 0.3 吗？

不是的，0.1 和 0.2 这两个数字⽤⼆进制表达会是⼀个⼀直循环的⼆进制数，⽐如 0.1 的⼆进制表示为 0.00011 0011 0011… （0011 ⽆限循环)，对于计算机⽽⾔，0.1 ⽆法精确表达，这是浮点数计算造成精度损
失的根源。因此，IEEE 754 标准定义的浮点数只能根据精度舍⼊，然后⽤「近似值」来表示该⼆进制，那么意味着计算机存放的⼩数可能不是⼀个真实值。

5.分页是怎么解决分段的内存碎⽚、内存交换效率低的问题？

由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段会产⽣间隙⾮常⼩的内存，这正是分段会产⽣内存碎⽚的原因。⽽采⽤了分⻚，那么释放的内存都是以⻚为单位释放的，也就不会产⽣⽆法给进程使⽤的⼩内
存。
更进⼀步地，分⻚的⽅式使得我们在加载程序的时候，不再需要⼀次性都把程序加载到物理内存中。我们完全可以在进⾏虚拟内存和物理内存的⻚之间的映射之后，并不真的把⻚加载到物理内存⾥，⽽是只有在程序运⾏中，需要⽤到对应虚拟内存⻚⾥⾯的指令和数据时，再加载到物理内存⾥⾯去。

6、分页机制下，虚拟地址和物理地址是如何映射的？

在分⻚机制下，虚拟地址分为两部分，⻚号和⻚内偏移。⻚号作为⻚表的索引，⻚表包含物理⻚每⻚所在
物理内存的基地址，这个基地址与⻚内偏移的组合就形成了物理内存地址。
总结⼀下，对于⼀个内存地址转换，其实就是这样三个步骤：

• 把虚拟内存地址，切分成⻚号和偏移量。
• 根据⻚号，从⻚表⾥⾯，查询对应的物理⻚号。
• 直接拿物理⻚号，加上前⾯的偏移量，就得到了物理内存地址。

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总结

提示：这里对文章进行总结：

例如：以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了pandas的使用，而pandas提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法。