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软件工程师面试: TCP/IP协议是什么?


最近,在面试第一轮抖音(字节跳动)的伦敦职位(Site Reliability Engineer),被问到了这个问题:TCP/IP协议是什么?这个是考基本功,是每个软件工程师都要会的。

TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)是一组网络协议,管理数据如何通过互联网和其他网络传输。它是互联网的基本通信模型,由两个主要层组成:

互联网协议 (IP)

IP 负责将数据包从源地址路由到目标地址。它工作在 OSI 模型的网络层。

  • IP 地址:互联网中的每个设备都被分配了一个唯一的 IP 地址,用于标识数据包的发送者和接收者。
  • 数据包路由:IP 将数据分成多个包,并通过不同的网络将其路由到目标地址。
  • 版本:IP 主要有两个版本:IPv4(32位地址)和 IPv6(128位地址)。

传输控制协议 (TCP)

TCP 负责确保设备之间数据传输的可靠性。它工作在 OSI 模型的传输层。

  • 面向连接:TCP 在传输数据之前会在发送方和接收方之间建立连接。
  • 数据完整性:TCP 通过确认、序列号和错误检查等机制,确保数据包按顺序无误地到达。
  • 流量控制:TCP 通过滑动窗口管理数据流,防止接收方超载。

TCP/IP 协同工作原理

  • 应用数据:应用层将数据(例如网页、电子邮件)发送到传输层(TCP)。
  • TCP 层:TCP 将数据分段,添加序列号和错误检查信息,并将其发送到 IP 层。
  • IP 层:IP 层将 TCP 段封装成 IP 包,附上源和目标 IP 地址,并通过各种网络路由数据包。
  • 接收端:在目标设备上,IP 层将数据包交给 TCP,TCP 重新排列并验证数据的完整性,然后将其传递给应用层。

TCP/IP 套件中的其他协议

  • UDP(用户数据报协议):一种无连接、速度更快的 TCP 替代方案,常用于视频流、在线游戏等实时通信。
  • HTTP/HTTPS(超文本传输协议):用于网络通信的应用层协议。
  • DNS(域名系统):将域名解析为 IP 地址。

TCP/IP 确保数据在网络间高效传输,保持可靠性、地址分配和路由,同时遵循互联网的基本通信原则。

TCP/IP 通常被描述为一个四层模型,但有时它可以与 OSI 模型(七层)进行比较。

tcp-ip-and-osi-model 软件工程师面试: TCP/IP协议是什么? 学习笔记 程序员 计算机 计算机 软件工程 面试

TCP/IP 4层协议和OSI的7层协议的比较

TCP/IP 四层模型

TCP/IP 模型简化为四层,旨在反映协议在现实网络中的工作方式。

应用层

这一层对应于 OSI 模型的前三层(应用层、表示层和会话层)。它包括 HTTP、HTTPS、FTP、DNS 和 SMTP 等协议。

传输层

负责设备之间的可靠通信。运行于这一层的协议包括 TCP(传输控制协议)和 UDP(用户数据报协议)。

互联网层

处理跨网络的数据包路由,类似于 OSI 的网络层。该层包含 IP(互联网协议),用于地址分配和数据包路由。

网络接口层(或链路层)

这一层负责物理网络(如以太网、Wi-Fi)和互联网层之间的数据传输。它对应于 OSI 的数据链路层和物理层。

OSI 七层模型

OSI(开放系统互联)模型更加细致,将网络功能分为七个层次。

  • 物理层(如电缆、交换机)
  • 数据链路层(如 MAC 地址、以太网)
  • 网络层(如 IP 路由)
  • 传输层(如 TCP、UDP)
  • 会话层(如管理应用之间的会话)
  • 表示层(如加密、数据格式转换)
  • 应用层(如 HTTP、FTP)

主要区别:TCP/IP vs OSI

TCP/IP 将一些功能合并为更少的层次(四层),反映了它在互联网通信中的实际应用。

OSI 是一个更加详细的概念模型(七层),主要用于教学和理论理解。

总结来说,TCP/IP 通常被认为是四层模型,而 OSI 模型则是七层模型。

英文:What is TCP/IP (4 Layer vs OSI 7 Layer)?

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C/C++ 中的内存管理器(堆与栈)


最近面试的时候遇到这个问题。这个问题考你计算机的基本功。

在 C/C++ 中,内存管理是控制程序如何分配和管理其资源的关键方面。C/C++ 程序中的内存通常分为不同的区域:堆栈和堆是最主要的动态和自动内存分配区域。

ACM题解系列之 – 最小堆栈 (Min Stack)

stack C/C++ 中的内存管理器(堆与栈) 学习笔记 技术 程序员 程序设计 编程 计算机 软件工程 面试

Stack 栈

堆栈内存

  • 定义:堆栈内存用于静态(自动)内存分配。它是存储函数参数、本地变量和返回地址的地方。当调用一个函数时,一个新的内存块(称为堆栈帧)会被添加到堆栈的顶部。当函数返回时,该内存会被自动释放。
  • 分配:内存由系统自动管理——在变量超出作用域时自动分配和释放。无需人工干预。
  • 生命周期:受限于函数或代码块的作用域。一旦函数退出,内存将被释放。
  • 大小限制:堆栈的大小通常较小并由系统预定义,意味着大的分配可能导致堆栈溢出。
  • 访问速度:由于其后进先出(LIFO)的结构,堆栈内存访问速度更快。由于内存是连续的且可预测的,它允许快速访问。
  • 使用场景:局部变量、函数调用信息和固定大小的对象(数组、结构体)。

堆内存

  • 定义:堆内存用于动态内存分配,程序员使用 C 中的 malloc()、calloc()、free() 和 C++ 中的 new、delete 手动分配和释放内存。
  • 分配:内存在运行时分配,并且分配的生命周期由程序员手动控制。它可以持续存在,直到显式释放。
  • 生命周期:堆分配的对象的生命周期不受作用域的限制。内存将一直被使用,直到被释放为止。
  • 大小限制:堆通常比堆栈大,但取决于系统资源。不当处理可能导致内存泄漏(忘记释放分配的内存)或碎片化(内存使用效率低)。
  • 访问速度:堆内存的访问速度比堆栈慢,因为分配是分散的,动态分配涉及更多的开销。
  • 使用场景:如链表、等大数据结构,或在运行时确定大小的对象。

堆与栈的主要区别

特征 堆栈
内存大小 通常较小,预定义 通常较大,受系统资源限制
分配 自动,由编译器管理 手动,由程序员管理(使用 new、malloc 等)
释放 自动(函数退出时) 手动(使用 delete、free 等)
生命周期 限于函数/代码块作用域 可以持续,直到显式释放
速度 较快(连续内存) 较慢(分散内存,开销更大)
风险 堆栈溢出(如果超出大小限制) 内存泄漏和碎片化

堆栈分配示例

void function() {
    int x = 10; // 分配在堆栈上
} // x 会自动释放

堆分配示例

void function() {
    int* p = new int; // 分配在堆上
    *p = 10;
    delete p; // 必须手动释放
}

正确管理堆内存在 C/C++ 中非常重要,因为它可能导致与内存相关的错误,如内存泄漏或重复释放。理解堆和堆栈内存之间的差异有助于优化程序的性能和可靠性。

英文:The Memory Manager in C/C++ (Heap vs Stack)

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软件工程师经典面试题: 当你在浏览器的地址栏敲入google.com并按回车后发生了什么?


我认为这无疑是最受欢迎的软件工程师的(Software Engineer) 面试问题 之一。最近有人说这个问题曾出现在 抖音Tiktok 的面试中。

要回答面试中的“当你在浏览器中输入 https://www.google.com 时会发生什么?”这个问题,可以按步骤详细说明整个过程,涉及 DNS 查找、TCP/SSL 握手、请求处理和页面渲染。以下是全面的解释:

URL 解析

当你输入 URL https://www.google.com 并按下回车时:

  • 协议:浏览器识别出协议是 https,意味着它将使用 HTTP 加密传输(TLS)。
  • 主机:浏览器识别出 www.google.com 是域名。
  • 路径:默认路径是 /,因为没有提供具体路径,表示请求主页。

DNS 查找

浏览器需要将域名 www.google.com 转换为一个 IP 地址。这个过程分为几个步骤:

  • 浏览器缓存:浏览器 首先检查自己的缓存,看看是否已有 www.google.com 的 IP 地址。
  • 操作系统缓存:如果未找到,浏览器会向操作系统请求缓存。
  • 路由器缓存:如果操作系统没有该 IP,路由器会检查它的缓存。
  • ISP DNS 服务器:如果依然未找到,路由器会查询 ISP 的 DNS 服务器。
  • 递归 DNS 查找:如果 ISP 没有缓存 IP,DNS 服务器会递归查询 DNS 层次结构(根 DNS 服务器、顶级域名服务器、权威 DNS 服务器)。最终,www.google.com 的 IP 地址被解析出来(例如,142.250.72.196)。

建立 TCP 连接

知道 IP 地址后,浏览器需要与 Google 服务器建立连接,使用以下步骤:

TCP 三次握手:

  • SYN:客户端(浏览器)向服务器发送 SYN(同步)包,启动连接。
  • SYN-ACK:服务器响应 SYN-ACK(同步确认)包。
  • ACK:客户端发送 ACK 包,连接建立。

SSL/TLS 握手(针对 HTTPS)

由于使用的是 HTTPS,浏览器与服务器通过 SSL/TLS 建立加密连接:

  • 浏览器与服务器协商加密协议(TLS 版本)并交换加密密钥。
  • 服务器发送其 SSL 证书,浏览器验证该证书以确保服务器身份。
  • 生成会话密钥,用于加密接下来的通信。

HTTP 请求

建立安全连接后,浏览器向服务器发送 HTTP GET 请求:

  • 方法:GET
  • 请求头:包括浏览器类型、cookies 和缓存信息。
  • 主机:www.google.com
  • 路径:/

服务器处理

Google 的服务器位于 负载均衡器 后面,接收请求:

请求可能会通过多个反向代理和负载均衡器处理,通常分布在多个数据中心,以确保可用性和性能

Google 的 Web 服务器处理请求,检查所请求的资源(Google 的主页),并准备响应。

HTTP 响应

服务器返回一个 HTTP 200 OK 响应,并将必要的 HTML、CSS、JavaScript 和其他资源发送到浏览器。

响应包括响应头(如 Content-Type、Cache-Control)以及响应体(Google 主页的 HTML 内容)。

浏览器渲染

浏览器现在获取了 HTML 并开始渲染页面:

  • HTML 解析:浏览器解析 HTML 以构建 DOM(文档对象模型)。
  • CSS 解析:下载并应用任何链接或嵌入的 CSS 样式表以设置 DOM 元素的样式。
  • JavaScript 执行:下载并执行 JavaScript。JavaScript 可能进一步修改 DOM 或发送额外的网络请求(如 AJAX)以动态更新页面。
  • 渲染:浏览器的渲染引擎将解析和样式化的内容绘制到屏幕上,形成可见的网页。

附加资源请求

当浏览器解析 HTML 时,它会识别出额外的资源(图片、样式表、JavaScript 文件)需要加载:

这些资源通过额外的 HTTP/HTTPS 请求获取。这个过程会通过多个并行连接重复进行,以 快速下载和渲染资源。

浏览器缓存与优化

浏览器会根据缓存头(如 Cache-Control、ETag)缓存某些资源(图片、脚本、样式表)。

现代浏览器使用诸如 HTTP/2 多路复用等优化技术,通过单个 TCP 连接下载多个资源,从而减少延迟。

最终页面显示

一旦所有资源下载、解析和渲染完成,用户可以与完全加载的页面进行交互。进一步的用户操作(点击、输入等)可能会触发更多的网络请求(如提交表单、AJAX 更新)。

加分点

  • CDN(内容分发网络):Google 使用 CDN 从地理位置较近的服务器提供内容,减少延迟并提高加载速度。
  • 安全功能:HSTS(HTTP 严格传输安全)确保所有请求都通过 HTTPS 进行。Google 的证书绑定技术确保服务器的 SSL 证书未被篡改。
  • Service Workers:如果启用,Service Worker 可能会拦截请求,提供缓存响应或启用离线功能。

这份详细的说明涵盖了从用户输入 URL 到浏览器最终渲染页面的所有关键步骤,涉及 DNS、TCP/IP、TLS、HTTP 和浏览器渲染等内容,适合系统设计或软件工程面试。

英文:Software Engineering Interview Question: What Happens When You Type Google.com in the Browser Address Bar?

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英文:45 Minute Mock Interview (Coding, System Design) + Career Development Advices

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系统设计面试 System Design Interview

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C++的 map 当键(Key)不存在的时候会发生什么?


面试流程(例如筛选)的早期阶段,一位 Google 招聘人员曾向我问过这个问题。

在C++中,当你使用std::map访问一个不存在的键时,行为取决于你是如何访问它的。

使用下标操作符 [] 访问时

如果键不存在,std::map 会默认插入一个该键的元素,并为其赋值为类型的默认值。比如,如果 map 的值类型是 int,那么它会插入该键并赋值为 0。

例子:

std::map<int, int> myMap;
int value = myMap[10]; // 如果键10不存在,会插入myMap[10] = 0

使用 at() 方法访问时

如果键不存在,at() 会抛出 std::out_of_range 异常。

例子:

std::map<int, int> myMap;
try {
    int value = myMap.at(10); // 如果键10不存在,会抛出异常
} catch (const std::out_of_range& e) {
    std::cout << "Key not found!" << std::endl;
}

使用 find() 方法

find() 方法不会修改 map,它返回一个迭代器。如果键不存在,它会返回 map.end()。

例子:

std::map<int, int> myMap;
auto it = myMap.find(10);
if (it == myMap.end()) {
    std::cout << "Key not found!" << std::endl;
} else {
    std::cout << "Value: " << it->second << std::endl;
}

C++ std::map 和 std::unordered_map的比较

std::unordered_map 处理不存在的键与 std::map 类似,但有一些差异,主要是因为它们内部的数据结构不同。

map 和 unordered_map 的区别:

  • 顺序:std::map 是有序的(内部实现为平衡树),所以元素会按键的顺序排列。而 std::unordered_map 是无序的,使用哈希表存储元素,因此没有特定的顺序。
  • 性能:std::unordered_map 通常有更快的平均访问时间(由于哈希结构,平均时间复杂度为 O(1)),而 std::map 的访问时间复杂度为 O(log n),因为其内部实现为树结构。然而,如果发生大量哈希冲突,unordered_map 在最坏情况下的时间复杂度可能是 O(n)。

总的来说,std::unordered_map 和 std::map 在处理不存在的键时,对于 []、at() 和 find() 的行为相似,但它们在顺序和性能方面存在差异。

总结

  • 使用 [] 访问时,如果键不存在,map 会插入一个新元素并赋予默认值。
  • 使用 at() 访问时,如果键不存在,会抛出异常。
  • 使用 find() 可以检查键是否存在,而不会修改 map。

英文:C++: Access a Non-existent Key in std::map or std::unordered_map

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