元婴期

15. 什么是线程池？它如何提高系统性能？

线程池是一种多线程管理模式，允许应用程序在执行任务时复用有限数量的线程，而不需要为每个任务单独创建和销毁线程。

提高性能的原因：

• 降低线程创建和销毁的开销：创建和销毁线程需要操作系统进行资源分配，而线程池通过复用线程，减少了频繁的资源分配和回收。

• 更好地控制并发数量：线程池可以限制同时执行的线程数，防止系统资源被大量线程耗尽。

• 任务队列管理：未完成的任务会进入等待队列，有序执行，避免系统过载。

16. 什么是内存碎片？如何处理和减少内存碎片？

内存碎片 是指内存分配后，剩余的小块内存无法被有效利用。

内存碎片分为两种类型：

• 外部碎片：多个小块空闲内存分散存在，但无法满足大块内存分配请求。

• 内部碎片：已分配的内存块比实际需要的内存大，导致部分空间浪费。

处理和减少内存碎片的方法：

• 内存紧凑：通过将数据移动，合并分散的空闲内存块，减少外部碎片。

• 分页或分段：使用分页或分段机制，分配固定大小的内存块，减少内部碎片。

• 垃圾回收：使用自动垃圾回收机制回收无用的内存并进行优化。

17. 计算机系统中的 LRU（最近最少使用）缓存置换算法是什么？如何实现？

LRU算法 是一种常用的缓存替换策略。当缓存已满，需要替换时，LRU 会移除最近最少使用的缓存块。

实现：

• 维护一个有序的链表，每次数据被访问时，移动到链表的头部。

• 当缓存满了时，删除链表尾部的数据块。

更高效的实现可以使用 哈希表 + 双向链表，哈希表用于快速查找缓存块，双向链表维护访问顺序。

18. 非易失性存储（NVM）与易失性存储的区别是什么？NVM 在现代系统中的应用有哪些？

• 非易失性存储（NVM）：在设备断电后数据依然保留（如 SSD、硬盘）。

• 易失性存储：断电后数据丢失（如 RAM）。

NVM 的应用：

• SSD：现代固态硬盘通过 NVM 提供高速、稳定的存储。

• 持久性内存（如 Intel Optane）：结合了 RAM 的速度和硬盘的持久性，应用于高性能计算领域。

• NVM Express（NVMe）协议：优化了 NVM 存储设备与主机之间的数据传输速度。

19. 什么是 NUMA（非均匀内存访问架构）？它对系统性能的影响是什么？

NUMA 是一种计算机内存架构，在多处理器系统中，每个处理器有自己专属的本地内存，访问本地内存较快，访问其他处理器的内存较慢（非均匀访问）。

对系统性能的影响：

• 提高局部性：当处理器优先访问本地内存时，系统性能提高。

• 降低内存访问延迟：但如果处理器频繁访问其他处理器的内存，系统性能会下降。

NUMA 适用于高并发、多核系统的优化设计，通过合理调度任务和数据，避免跨节点访问，提升整体性能。

20. 什么是自旋锁？它与互斥锁（Mutex）的区别是什么？

自旋锁 和 互斥锁 都是多线程编程中的同步机制，但它们的工作方式不同。

自旋锁：当一个线程尝试获取锁而锁被占用时，线程会一直处于忙等待状态（自旋），直到锁释放。

简单理解就是当线程获取到锁被占用时，该线程就会一直在这里循环等待，直到检测到锁可用。自旋锁适合锁等待时间较短的场景。

互斥锁：当线程获取锁失败时，操作系统会将该线程挂起，直到锁可用，避免 CPU 资源的浪费。适合锁等待时间较长的场景。

区别：

• 自旋锁不会阻塞线程，但会占用 CPU 资源。

• 互斥锁会阻塞线程，但在等待锁期间不占用 CPU 资源。

21. 什么是CAS（Compare-And-Swap）操作？它在并发编程中的应用是什么？

CAS 是一种无锁的原子操作，用于解决多线程并发问题。

工作原理：

• 读取内存中的某个值。

• 比较该值是否为预期值。

• 如果相等，则将该值更新为新值；如果不相等，表示该值已经被其他线程修改，操作失败。

CAS 操作常用于无锁数据结构的实现，如 原子变量 和 无锁队列，能在多线程环境下确保数据的一致性和安全性，而无需使用锁，减少了锁竞争，提高了并发性能。