Linux 下 C++ 后台服务器开发

1. 前言

　　最近正在准备秋招，目标岗位是 C++后端开发工程师，这个岗位对开发者的要求也比较高，需要的基础知识非常多，我在刚刚开始准备的时候，感觉也是不知从何入手，现在经过了一段时间的学习，感觉比刚开始的时候好了一些，但是在很多方面还有欠缺，所以写下这篇博客，进行一个总结，也希望能帮助到和我一样在这条路上不断前行的人。

2. 服务器开发与后台开发的联系和区别

　　服务器是一种高性能的计算机，相对于普通的个人电脑，它的性能往往更强，但是功能也更加单一。服务器开发，就是在服务器上面开发应用程序。服务器开发包括两部分，一是服务器上基础应用的开发，例如搜索引擎等，二是对业务流程在服务器上的相关应用开发。一般来说，企业里招第二类比较多。从业务的角度来看，服务器中的应用程序会接收来自客户端的业务请求，将其所需的数据处理以后，返回给客户端。后台开发不像前台开发一样，有清晰的可视化界面，它在整个业务中往往处于幕后的位置，所以被称为后台开发。下面这张图可以大致体现后台开发的流程:

 这张图是客户端和服务器一种最简单的描述，但是这里面有很多问题如果真的研究起来就会很复杂，涉及很多基础知识。

1. 客户端的请求如何表示？对它的回答又如何表示？

2. 服务器和客户端之间的连接该如何建立呢?

3. 服务器和数据库之间又怎么进行交互？

4. 图中一台服务器只面向一台客户端，可是现实当中服务器通常需要接收多个客户端的请求。那么怎么分配这些请求？如果有非常多的客户端向服务器发送请求，服务器怎么样才能保证性能？

以上是服务器开发的一些基本问题，要解决这些问题，就要学习非常多的基础知识。带着这些问题，可以让我们把知识点串起来，对 Linux 下的服务器开发有一个更好的理解。

3. 涉及知识点

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3.1 编程语言

　　既然是 C++后台开发，那么首先我们要掌握 C++语言。C++的知识浩如烟海，而且包含了很多不同的思想，例如，它即继承了 C 面向过程的语法，又包含了面向对象的思想，要想精通真的很难。我的想法是将 C++分成多个组成部分，然后分别学习。学习 C++之后，简单总结了一些要点：

• 基础数据类型和运算符：C++的基础数据类型，如 int，double。要机制它们的分别占用的内存大小，以及它们之间的转换规则。其中尤其要掌握指针和引用。

• 基础语法：基础的条件语句，顺序语句，循环语句，是必须要掌握的。

• C++关键字：C++中包含了很多关键字，例如 static，const，extern 等，学习的时候要注意它们的特点，以及应用场景。

• C++内存管理：内存管理非常重要，要记住 C++程序内存有几个区，它们之间存放的数据；另一个关键点是 C++的内存泄露的发生原因和避免方法。

• C++函数：函数是面向过程的体现，重点包括函数参数，返回值。如果再深入研究，还要知道函数的调用过程等。

• 面向对象：主要就是面向对象的三大特性，封装，继承和多态，以及实现这三大特性的一系列手段，如类，虚函数等。

• 泛型编程：C++中的泛型编程主要是模板编程，包括函数模板，类模板，模板泛化，模板特化这些知识。

• STL 标准库：STL 主要要掌握各种容器和泛型算法。最好能对它们的底层实现有所了解。

• C++11 新特性：C++11 作为 C++的经典版本，有一些新特性需要学习者好好掌握，例如智能指针等。

除了 C/C++以外，你还需要掌握至少一门脚本语言，例如 python/shell。脚本语言可能不会是你开发的主语言，但是它可以作为程序的“粘合剂”，完成一些轻量级的工作。

3.2  Linux 基础

　　现在大多数服务器都运行的是 Linux 系统，作为一个后端开发，少不了要和 Linux 打交道。对于初学者来说，可以先从下载一个带图形界面的发行版本，如 Ubuntu，CentOS 等，边玩边学。我们首先要具备操作 Linux 的能力，也就是了解 Linux 的基本结构，掌握基础的 Linux 命令，会用一些 Linux 上的工具。再升入一点，Linux 和 Windows 的开发环境有区别，要熟悉 Linux 下的开发环境。如果这样还学有余力，可以研究一下 Linux 的底层原理，例如 Linux 的进程通信是如何实现的。Linux 甚至允许你修改它的源码，当然这是很高的要求。

Linux 下的常用基础命令：

• 文件处理命令

• 网络管理命令

• 用户管理命令

Linux 下的常用工具

• gdb

• git

• vim

• putty

Linux 原理

• Linux 进程

• Linux 文件系统

• Linux 内存系统

3.3 计算机网络

　　后台开发少不了要和网络编程打交道，要想成为一个优秀的后端开发，就要打好计算机网络的基础。计算机网络的知识比较抽象，我在本科期间也没有学好，后来我听从网上大佬的建议，从计算机网络数据传输的角度出发，思考数据如何经过计算机网络的多层服务进行传送的，感觉对计算机网络有了更深的了解。传统的 OSI 七层模型是在比较复杂。现在我们实际上使用更多的是 TCP/IP 四层模型(应用层，传输层，网络层和数据链路层)。后台开发对传输层和应用层的要求非常高，所以对这两层要好好理解。

传输层要点：

• TCP 和 UDP：TCP 和 UDP 是传输层最重要的两个协议，掌握的越详细越好，要了解它们的差异，以及差异形成的原因。

• TCP 是如何建立连接的：主要就是三次握手和四次挥手的内容，包括连接过程，各种连接状态等。除了要成功的情况外，还要考虑失败的情况。

• 流量控制和拥塞控制：流量控制是为了防止发送方发送数据过快，接收方来不及接收；拥塞控制是为了防止网络上数据量太大，造成网络阻塞。要了解它们的原理和实现方法。

 应用层要点：

• HTTP：http 是应用层最重要的协议，http 需要理解的知识很多，如请求报文，请求方法，状态码等。向浏览器的地址栏中输入 URL 得到相应页面，这里就包含了 http 请求的过程。

• HTTPs：https 是 http 和 ssl(安全套接字)的组合，可以在 http 的基础上实现加密传输和用户认证。重点应该关注 https 的流程和实现数据安全的方式。

• DNS 协议：DNS 是应用层另一个非常重要的协议，用来实现域名和 IP 地址的转换，这个协议的要点在于它具体的解析过程(即如何通过域名得到 IP)。

3.4 操作系统

　　除了计算机网络以外，另一门 Linux 下 C++开发需要掌握的基础是操作系统。相比 Java 等语言，C++本身就是一门更加偏重底层的语言，所以它的效率更高，而且 C++不太有 Java 中 SpringBoot 这种大而全的框架，这更加要求我们理解操作系统原理，以便于自己实现对应的功能。操作系统的抽象程度比计算机网络更高，学习起来更有难度，总结下来，操作系统主要在管理计算机的四种资源：

• 进程管理：即对 CPU 资源的管理。主要内容包括进程和线程，进线程调度算法，同步与互斥，死锁等。这部分内容是操作系统的重中之重。

• 内存管理：内存分为物理内存和虚拟内存。其中对虚拟内存是内存管理的中心，要点包括分页存储管理，分段存储管理，页面置换算法。

• 文件管理：文件系统，即文件的属性和组织方式的相关内容。

• 设备管理：计算机系统如何和与外设交互，发生中断和响应。

3.5 网络编程和系统编程

这一部分是上两个部分的具体实现，也就是我们怎么利用学到的原理知识，去解决实际问题。在这方面，我们可能会自己实现一些高效的数据结构，也可能直接调用现成的库函数。主要内容包括：

Socket 编程：Socket 是对传输层的抽象，它提供给我们一些具体的 API，而不需要关注其中的具体实现

• 相关 API：connect()，socket()，bind()，listen()等。

• socket 建立连接的过程

I/O 多路复用：一个进程复用多路 I/O，是实现高并发的利器。三种经典的多路复用方法是 select,poll 和 epoll。对这三种方式的区别和实现方式应该有具体了解。

• select，poll，epoll 的实现方式和区别。

• reactor 和 preactor 的实现方式和区别。

• ET 和 LT 触发模式的区别。

多线程/多线程编程：多进程多线程编程是实现高并发服务器的利器，非常重要

• 相关 API：fork(),pthread_create()等函数。

• 线程池的实现：通过提前创建线程减小切换开销。

• 进程线程间通信方法：共享变量，消息队列，锁等。

3.6 数据库

数据库是存储数据的仓库，也是后端必备技能之一。在开源的数据库中，MySQL 因为其强大的性能被广泛引用。除了关系型数据库之外，因为现在的业务往往涉及到高并发和分布式，所以在传统的关系型数据库以外，企业还要求掌握非关系型数据库，如 Redis。

MySQL 数据库要点

• 基础语法：基础的 CRUD 语法

• 数据库引擎：目前 MySQL 主要的引擎有 InnoDB 和 MyISAM，要知道它们各自特点的区别。

• 索引：索引的使用方法，还有实现它们的数据结构(hashmap 和 BTree)。

• 锁：数据库中常见的锁，如行锁，表锁，悲观锁，乐观锁，以及它们各自的使用场景。

• 事务：事务的四大特性(ACID),以及四大隔离级别。

• 数据库优化方法：常见的优化方法又 SQL 语句优化，分表，读写分离。

Redis 数据库

• 基础数据类型：Redis 五大基本数据类型包括字符串，链表，字典，集合，排序集合。

• 配置文件：Redis 配置文件可以配置内存淘汰策略等一系列设置。

• 缓存：Redis 被广泛应用于缓存方向，可能会发生缓存相关的问题，如缓存穿透，缓存雪崩等。

3.7 数据结构和算法

如果我们不想当一个只会调包，只会简单增删改查的码农，那么我们就需要掌握算法和数据结构，常言道：数据结构+算法=程序，高效的数据结构和精巧的算法能提升程序的效率，对于后台开发来说，效率非常重要。当然我们不需要掌握非常高难度的算法，可是掌握基础的算法和数据结构是必须的，下面是一些基础的数据结构和算法

常用数据结构：

• 数组

• 栈和队列

• 链表单向链表双向链表循环链表

• 树二叉树二叉搜索树二叉平衡树红黑树

• 图有向图无向图

• 串 KMP

常用算法:

• 分治法

• 动态规划

• 递归和回溯

• 排序快速排序归并排序

• 查找二分查找

• 树算法图算法树的前，中，后序，层次遍历(递归和非递归写法)

• 图的遍历

  最小生成树

  迪杰斯特拉

算法和数据结构的就像是武侠小说中的内功，是每一个想成为高手的人必须要修炼的。修炼的过程是数以年记的，这个过程需要我们保持耐心和恒心。

3.8 设计模式

设计模式是软件工程师们针对软件设计模式总结出的经验，如果说前述的内容还处在'术'的阶段，设计模式已经有了'道'的感觉，好的设计模式能帮助工程师创造出高质量的软件。工程师总结了 23 种常用的设计模式。在 23 种设计模式中，有几种设计模式是重中之重，要好好掌握，例如：

• 单例模式：一个类只能有一个对象。

• 工厂模式：封装对象的创建，让子类决定创建的对象。

• 观察者模式：定义对象的一对多关系。

3.9 其他常用技能

除了上面这些基础内容，还有一些也要掌握，例如

• Makefile 的编写

• Linux 下常用工具的使用，例如 vim，git，gdb 等

另外，在社招中，企业可能会提一些更高的要求，例如分布式，容器，中间件什么的，如果学有余力，也可以进一步的去了解。

4. 总结

　　总的来说，Linux 下 C++服务器开发的知识还是很多的，如果想要找到一份好的工作，或者对这个领域有深入理解，还是需要投入很多的时间精力的。对于这上面列出的知识，我也有很多没掌握的地方，但我相信通过系统的学习，不断迭代更新自己的知识，一定能取得进步。

C++程序员面临的竞争压力越来越大。那么，作为一名 C++程序员，怎样努力才能快速成长为一名高级的程序员或者架构师，或者说一名优秀的高级工程师或架构师应该有怎样的技术知识体系，这不仅是一个刚刚踏入职场的初级程序员，也是工作三五年之后开始迷茫的老程序员，都必须要面对和想明白的问题。为了帮助大家少走弯路

我特意整理了一下，有很多问题不是靠几句话能讲清楚，所以干脆找朋友录制了一些视频，很多问题其实答案很简单，但是背后的思考和逻辑不简单，要做到知其然还要知其所以然。

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