R.8 综合自测卷
规则：闭卷，90 分钟，满分 100。先做题，再对答案；错题回到对应章。建议每 10 题休息 5 分钟。
一、单选（每题 3 分，共 30 分）
1. write(fd, buf, 4096) 返回 1024，最准确的解释是：
A. 写失败，只剩 1024 字节空间
B. 短写，实际写入 1024 字节，应继续写剩余部分
C. 内核缓冲区只有 1024 字节，必须 fsync
D. 返回的是错误码
2. 两个进程各自 open("log", O_WRONLY|O_APPEND)，各用一次 write 写 100 字节。结果是：
A. 一定互相覆盖
B. 不会互相覆盖，且两条 100 字节记录不会交错
C. 不会互相覆盖，但若一条记录由多次 write 完成仍可能交错
D. 取决于 umask
3. fork() 后，父子进程共享的是：
A. fd 表
B. 打开文件描述（偏移与 flags）
C. 地址空间物理页（无 COW）
D. 信号处理器栈
4. listen(fd, 128) 的 128 主要限制：
A. SYN 队列
B. accept 队列
C. 同时建立的连接总数
D. 每个连接的接收缓冲区
5. epoll ET 模式下，正确的读法是：
A. 读一次即可
B. 循环读到 EAGAIN，且 fd 非阻塞
C. 每次先 lseek
D. 必须用 select
6. 服务端出现大量 CLOSE_WAIT，最可能的原因是：
A. 内核参数 tcp_tw_reuse 没开
B. 应用收到 FIN 后没有 close
C. 客户端主动关闭
D. 防火墙拦截
7. 32 位补码中 -1 的十六进制是：
A. 0x80000000
B. 0xFFFFFFFF
C. 0x00000001
D. 0x7FFFFFFF
8. 64 位虚拟地址、4 KiB 页、四级页表各 9 位，一级页表项覆盖： A. 2 MiB B. 1 GiB C. 512 GiB D. 256 TiB
9. cgroups v2 中限制 CPU 带宽的接口是：
A. cpu.shares
B. cpu.cfs_quota_us
C. cpu.max
D. cpu.weight
10. overlayfs 的 copy-up 发生在： A. 读 lower 文件时 B. 写 lower 文件时 C. 删除 upper 文件时 D. 挂载时
二、简答（每题 5 分，共 30 分）
11. 解释 fork() 的 COW，并说明为什么大内存进程 fork 仍然可能慢。
12. 写出处理短读、短写与 EINTR 的 read_full/write_full 的关键循环。
13. 信号处理器里为什么不能调用 printf/malloc？给出两种把信号转成 fd 事件的方法。
14. 条件变量为什么必须用 while？pthread_cond_wait 内部做了什么？
15. 画出 Linux 收包从网卡到 socket 的关键路径（至少 8 个节点）。
16. write() 返回、fsync() 返回、O_SYNC 三者对持久化的保证分别是什么？
三、分析（每题 10 分，共 20 分）
17. 线上服务 ss -s 显示 TIME_WAIT 3 万、CLOSE_WAIT 200。请判断哪个是问题、为什么，并给出三步排查/修复。
18. 一台 8 核机器 load average 12，但 top 显示 CPU 空闲 70%。请给出至少三条假设、对应证据命令与判据。
四、设计（每题 10 分，共 20 分）
19. 设计一个单机 100 万空闲 TCP 连接的服务器：列出架构、fd/内存/端口/backlog 的估算与关键代码结构（不必写完整代码）。
20. 设计一个最小容器运行时：列出 namespace、cgroups、rootfs、生命周期与安全五部分的关键点，并说明容器与虚拟机的本质区别。
答案与评分
单选
| 题 | 答案 | 解释 |
|---|---|---|
| 1 | B | 短写合法；循环写剩余，处理 EINTR |
| 2 | C | O_APPEND 保证单次 write 原子追加；多次写仍可能交错 |
| 3 | B | fork 复制 fd 表，表项指向同一 struct file，偏移共享 |
| 4 | B | backlog 主要限制 accept 队列；SYN 队列由 tcp_max_syn_backlog |
| 5 | B | ET 必须非阻塞并读到 EAGAIN，否则丢事件 |
| 6 | B | CLOSE_WAIT 是被动关闭方等应用 close，多则为应用 bug |
| 7 | B | 32 位全 1 |
| 8 | C | 2^(9+9+9+12)=2^39=512 GiB |
| 9 | C | v2 用 cpu.max（$MAX $PERIOD） |
| 10 | B | 写 lower 文件触发 copy-up 到 upper |
简答评分点
11. COW：父子共享物理页，写时复制；fork 复制页表/task_struct，页表随地址空间增大而增大；大页表复制 + TLB 失效仍可能慢；vfork/posix_spawn 可避免。（5 分：COW 2、成本 2、替代 1）
12. 循环：done 游标、read/write 返回 >0 累加、0 EOF/错误、-1 && EINTR 重试、-1 其他返回错误；write 返回 0 视为 EIO 防死循环。（5 分：短读/短写 2、EINTR 2、0 处理 1）
13. 处理器可能在任意指令处打断，printf/malloc 非 async-signal-safe，可能死锁/重入；方法：self-pipe（处理器 write 一字节，主循环 poll/epoll 读）、signalfd（阻塞信号，读 fd）。（5 分：原因 2、两种方法 3）
14. 虚假唤醒 + 多个等待者竞争；wait 原子释放锁并睡眠，被唤醒后重新加锁；醒来必须重新检查谓词，故 while。（5 分：虚假唤醒 2、原子释放 2、循环 1）
15. NIC DMA → RX ring → 硬中断 → napi_schedule → NET_RX_SOFTIRQ → napi_poll → netif_receive_skb → ip_rcv → tcp_v4_rcv → sk_receive_queue → 唤醒。少一个节点扣 0.5，最多扣 3。（5 分）
16. write 只到 page cache；fsync 数据+元数据到持久介质；O_SYNC 每次 write 同步完成；fdatasync 只数据+必要元数据。（5 分：三点各 1.5，补充 0.5）
分析评分点
17. CLOSE_WAIT 200 是问题（应用没 close），TIME_WAIT 3 万是主动关闭方的正常状态，除非端口耗尽。步骤：① ss -tan state close-wait 找进程/fd；② lsof -p/代码检查所有分支是否 close；③ 修复后观察 CLOSE_WAIT 降为 0；TIME_WAIT 只在端口耗尽时考虑 tcp_tw_reuse。（10 分：判断 3、证据 4、修复 3）
18. 假设：D 状态 I/O 等待、NFS/块层卡住、内存回收/直接回收、锁竞争、CPU 被 cgroup 限流。证据：ps -eo state,wchan、iostat -xz、/proc/pressure/io、vmstat、perf sched、cat /sys/fs/cgroup/.../cpu.stat。判据：D 多 + %wa 高 → I/O；D 多 + wchan=nfs → NFS；PSI io some 高 → I/O 压力。（10 分：每条假设+证据+判据约 2 分，答满 5 条满分）
设计评分点
19. 架构：多 reactor + 多 acceptor（SO_REUSEPORT）、epoll ET、非阻塞、内存池、定时器轮、连接对象池；估算：fd 100 万（ulimit -n/fs.file-max）、内存每连接 ~几 KB（tcp_mem/sk_buff）、端口仅客户端受限、somaxconn/backlog；代码结构：event_loop、 acceptor、conn、timer、buffer。容器/虚拟机：共享内核 vs 独立内核。（10 分：架构 4、估算 3、结构 2、区别 1）
20. namespace：pid/mnt/net/uts/ipc/user；cgroups：cpu.max/memory.max/pids.max；rootfs：overlayfs + pivot_root；生命周期：create/start/kill/delete、PID 1 信号；安全：capabilities/seccomp/no_new_privs/user ns；本质区别：共享内核，隔离靠内核机制，不是虚拟化。（10 分：每部分 1.5，区别 2.5）
分数对照
| 分数 | 判断 | 下一步 |
|---|---|---|
| 90–100 | 系统知识扎实 | 做项目 A1/C1，读内核源码 |
| 75–89 | 主干清楚，细节有洞 | 回看错题章节 + R.7 回忆卡 |
| 60–74 | 会用但机制不牢 | 重读第 1/2 篇，做 2.18 实验 |
| <60 | 需要系统重建 | 按路线 B 从 1.2 开始，别跳 |