必須掌握的編程基礎(chǔ)“四大件”詳解

先說(shuō)結(jié)論，基礎(chǔ)四大件包括：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、設(shè)計(jì)模式

這幾個(gè)技術(shù)和什么語(yǔ)言無(wú)關(guān)，但是如果是做偏軟件的工作，即使是嵌入式軟件，都是非常重要的，可以大大拓寬自己的職業(yè)生涯和技術(shù)深度。

正文

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法

如果想去大廠(chǎng)的同學(xué)，這是必備的技能，不然最后的算法題部分肯定是過(guò)不去的。

基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：

數(shù)組（Array）：

一組具有相同數(shù)據(jù)類(lèi)型的元素按連續(xù)內(nèi)存空間存儲(chǔ)。

可以通過(guò)索引快速訪(fǎng)問(wèn)元素。

鏈表（Linked List）：

一組元素，其中每個(gè)元素包含數(shù)據(jù)和一個(gè)指向下一個(gè)元素的指針。

常見(jiàn)的類(lèi)型有單向鏈表、雙向鏈表和循環(huán)鏈表。

棧（Stack）：

一種遵循后進(jìn)先出（LIFO, Last In First Out）原則的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

常用于遞歸和表達(dá)式求值。

隊(duì)列（Queue）：

一種遵循先進(jìn)先出（FIFO, First In First Out）原則的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

常用于任務(wù)調(diào)度和廣度優(yōu)先搜索（BFS）。

哈希表（Hash Table）：

使用哈希函數(shù)將鍵映射到值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

提供快速的插入、刪除和查找操作。

樹(shù)（Tree）：

一種由節(jié)點(diǎn)組成的分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有零個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

常見(jiàn)的類(lèi)型有二叉樹(shù)、二叉搜索樹(shù)（BST）、平衡二叉樹(shù)（如AVL樹(shù)）、紅黑樹(shù)等。

圖（Graph）：

一組節(jié)點(diǎn)和連接這些節(jié)點(diǎn)的邊的集合。

可以表示對(duì)象之間的關(guān)系，常用于路徑搜索、網(wǎng)絡(luò)流問(wèn)題等。

基礎(chǔ)的算法包括：

排序算法：

冒泡排序（Bubble Sort）：通過(guò)重復(fù)遍歷要排序的數(shù)列，比較每對(duì)相鄰元素，如果它們的順序錯(cuò)誤就把它們交換過(guò)來(lái)。

選擇排序（Selection Sort）：每次從待排序的數(shù)據(jù)元素中選出最?。ɑ蜃畲螅┑囊粋€(gè)元素，存放在序列的起始位置，直到全部待排序的數(shù)據(jù)元素排完。

插入排序（Insertion Sort）：通過(guò)構(gòu)建有序序列，對(duì)于未排序數(shù)據(jù)，在已排序序列中從后向前掃描，找到相應(yīng)位置并插入。

歸并排序（Merge Sort）：采用分治法，將問(wèn)題分成一些小的問(wèn)題然后遞歸解決，最后再將各個(gè)已排序的小段合并起來(lái)。

快速排序（Quick Sort）：通過(guò)一趟排序?qū)⒋庞涗浄指舫瑟?dú)立的兩部分，其中一部分記錄的關(guān)鍵字均比另一部分的關(guān)鍵字小，然后再按此方法對(duì)這兩部分分別進(jìn)行快速排序。

搜索算法：

線(xiàn)性搜索（Linear Search）：從數(shù)組的第一個(gè)元素開(kāi)始，依次將當(dāng)前元素與目標(biāo)值進(jìn)行比較，直到找到目標(biāo)值或搜索完整個(gè)數(shù)組。

二分搜索（Binary Search）：在有序數(shù)組中查找某一特定元素的搜索算法，搜索過(guò)程從數(shù)組的中間元素開(kāi)始，如果中間元素正好是要查找的元素，則搜索過(guò)程結(jié)束；如果某一特定元素大于或者小于中間元素，則在數(shù)組大于或小于中間元素的那一半中查找，而且跟開(kāi)始一樣從中間元素開(kāi)始比較。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法（Dynamic Programming）：

用于解決最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)將問(wèn)題分解為更小的子問(wèn)題，并存儲(chǔ)子問(wèn)題的解決方案以避免重復(fù)計(jì)算。

貪心算法（Greedy Algorithm）：

在每一步選擇中都采取在當(dāng)前狀態(tài)下最好或最優(yōu)（即最有利）的選擇，從而希望導(dǎo)致結(jié)果是全局最好或最優(yōu)的算法。

回溯算法（Backtracking）：

一種通過(guò)探索所有可能的候選解來(lái)找出所有解的算法，如果候選解被確認(rèn)不是一個(gè)解（或者至少不是最后一個(gè)解），回溯算法會(huì)通過(guò)在上一步進(jìn)行一些變化來(lái)丟棄該解，即“回溯”并嘗試另一個(gè)可能的候選解。

分治算法（Divide and Conquer）：

將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分成兩個(gè)或更多的相同或相似的子問(wèn)題，再把子問(wèn)題分成更小的子問(wèn)題……直到最后子問(wèn)題可以簡(jiǎn)單的直接求解，原問(wèn)題的解即子問(wèn)題的解的合并。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

這里說(shuō)的計(jì)網(wǎng)主要是指TCP/IP協(xié)議棧，這是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)和通信的基礎(chǔ)，很多面試都會(huì)涉及這部分考察，另外這部分也是做很多通信開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

TCP/IP主要協(xié)議包括：

TCP/IP協(xié)議模型由四個(gè)層次組成，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。以下是TCP/IP協(xié)議族中的主要協(xié)議及其作用：

一、應(yīng)用層協(xié)議

應(yīng)用層是TCP/IP協(xié)議集的最高層，負(fù)責(zé)處理特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，如電子郵件、文件傳輸和網(wǎng)頁(yè)瀏覽。應(yīng)用層協(xié)議包括HTTP、FTP、SMTP、DNS等。這些協(xié)議定義了應(yīng)用程序如何使用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行通信。

HTTP（HyperText Transfer Protocol）：用于在萬(wàn)維網(wǎng)（WWW）上傳輸超文本的協(xié)議。它是無(wú)狀態(tài)的、面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，基于請(qǐng)求/響應(yīng)模型工作?？蛻?hù)端（通常是瀏覽器）向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，服務(wù)器處理請(qǐng)求并返回HTTP響應(yīng)。

HTTPS（HyperText Transfer Protocol Secure）：HTTP的安全版本，通過(guò)TLS/SSL協(xié)議加密數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。

FTP（File Transfer Protocol）：用于在網(wǎng)絡(luò)上傳輸文件的協(xié)議。它支持文件的上傳、下載和管理。

SFTP（Secure File Transfer Protocol）：通過(guò)SSH（Secure Shell）加密傳輸文件的協(xié)議，確保文件傳輸?shù)陌踩浴?/p>

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：用于發(fā)送電子郵件的協(xié)議。它定義了郵件如何從發(fā)件人傳輸?shù)绞占说泥]件服務(wù)器。

IMAP（Internet Message Access Protocol）：用于從郵件服務(wù)器讀取電子郵件的協(xié)議。與POP3不同，IMAP支持在服務(wù)器上管理郵件。

POP3（Post Office Protocol version 3）：另一種從郵件服務(wù)器讀取電子郵件的協(xié)議。與IMAP不同，POP3通常將郵件下載到本地設(shè)備并從服務(wù)器上刪除。

DNS（Domain Name System）：用于將域名解析為IP地址的系統(tǒng)，是互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：用于動(dòng)態(tài)分配IP地址和其他網(wǎng)絡(luò)配置的協(xié)議。

二、傳輸層協(xié)議

傳輸層負(fù)責(zé)提供端到端的通信服務(wù)。傳輸層協(xié)議包括傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。

TCP（Transmission Control Protocol）：提供可靠的、面向連接的服務(wù)。它確保數(shù)據(jù)完整、無(wú)損并且按順序到達(dá)。TCP盡量連續(xù)不斷地測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載并且控制發(fā)送數(shù)據(jù)的速度以避免網(wǎng)絡(luò)過(guò)載。

UDP（User Datagram Protocol）：提供不可靠的、無(wú)連接的服務(wù)。UDP不對(duì)數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)到達(dá)目的地進(jìn)行檢查，并且不保證數(shù)據(jù)包按順序到達(dá)。UDP協(xié)議傳輸效率高，但可靠性略低，適用于傳輸可靠性要求不高、體量小的數(shù)據(jù)。

三、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包括因特網(wǎng)協(xié)議（IP）、地址解析協(xié)議（ARP）、互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（ICMP）等。

IP（Internet Protocol）：最重要的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，它定義了數(shù)據(jù)包的格式和地址結(jié)構(gòu)，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由。IP協(xié)議是一種無(wú)連接、不可靠的分組傳送服務(wù)的協(xié)議。

ARP（Address Resolution Protocol）：用于將IP地址解析為物理地址（如MAC地址），以便在局域網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于發(fā)送錯(cuò)誤和狀態(tài)信息，如網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)、主機(jī)不可達(dá)等。

四、網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)接口層負(fù)責(zé)與物理網(wǎng)絡(luò)的接口，包括以太網(wǎng)、Wi-Fi等。網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議定義了如何在物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)幀，以及如何處理鏈路層的錯(cuò)誤和沖突。網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議包括以太網(wǎng)協(xié)議、PPP協(xié)議等。

綜上所述，TCP/IP協(xié)議族中的各個(gè)協(xié)議共同協(xié)作，確保了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的高效、可靠傳輸。

操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)更是軟件開(kāi)發(fā)的重中之重，尤其是對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，如果你還不會(huì)操作系統(tǒng)，那務(wù)必得下功夫了。

操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)（這里重點(diǎn)說(shuō)下Linux系統(tǒng)）：（重點(diǎn)我標(biāo)出來(lái)了）

一、Linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)

基本概念：理解Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核、文件系統(tǒng)、進(jìn)程管理、權(quán)限和用戶(hù)管理等基本概念。

命令行操作：熟悉Linux命令行接口（CLI），掌握常用的命令，如文件操作、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)配置等。

Shell編程：學(xué)習(xí)Shell腳本語(yǔ)言（如Bash、Zsh、Ksh等），掌握腳本語(yǔ)法和邏輯，能夠編寫(xiě)腳本來(lái)自動(dòng)化日常任務(wù)和系統(tǒng)管理操作。

二、Linux系統(tǒng)編程

系統(tǒng)編程接口：理解并掌握Linux系統(tǒng)編程接口，包括標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用。

進(jìn)程與線(xiàn)程：深入理解Linux多任務(wù)編程中的多進(jìn)程和多線(xiàn)程，以及進(jìn)程間通信（如pipe、FIFO、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、signal、信號(hào)量等）。

同步與互斥：學(xué)習(xí)同步與互斥對(duì)共享資源訪(fǎng)問(wèn)控制的重要性，確保多個(gè)進(jìn)程或線(xiàn)程能夠安全地訪(fǎng)問(wèn)共享資源。

三、Linux網(wǎng)絡(luò)編程

TCP/IP協(xié)議：理解TCP/IP協(xié)議棧的工作原理，掌握socket編程接口。

網(wǎng)絡(luò)編程API：熟悉Linux網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)API，如TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)編程、Web編程開(kāi)發(fā)等。

并發(fā)服務(wù)器：學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議服務(wù)器的編程方法和并發(fā)服務(wù)器的設(shè)計(jì)。

四、Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)

內(nèi)核原理：深入理解Linux內(nèi)核的工作原理，包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)等。

內(nèi)核模塊編程：學(xué)習(xí)如何編寫(xiě)和加載內(nèi)核模塊，以便在內(nèi)核空間運(yùn)行自定義代碼。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)：掌握Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的原理和框架，熟悉字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)。

五、Linux開(kāi)發(fā)工具與環(huán)境

編輯器與IDE：熟悉Linux下的文本編輯器（如Vim、Emacs）和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE，如Eclipse、Visual Studio Code）。

編譯器與調(diào)試器：掌握GCC編譯器和GDB調(diào)試器的使用，以便進(jìn)行高效的代碼編寫(xiě)和調(diào)試。

版本控制：熟悉Git等版本控制系統(tǒng)的使用，以便進(jìn)行代碼管理和團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

六、Linux系統(tǒng)安全與優(yōu)化

系統(tǒng)安全機(jī)制：了解Linux系統(tǒng)的安全機(jī)制，如SELinux、AppArmor等，確保系統(tǒng)的安全性。

性能優(yōu)化：學(xué)習(xí)性能分析工具（如gprof、valgrind、perf等）的使用，掌握代碼優(yōu)化技巧，提高程序性能。

穩(wěn)定性與可靠性：通過(guò)充分的測(cè)試（如單元測(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試等）來(lái)確保軟件的穩(wěn)定性和可靠性。

設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式可以提高代碼的可復(fù)用性、靈活性、可擴(kuò)展性。

最經(jīng)典的教材就是23種設(shè)計(jì)模式，這里也不用全部記住，掌握最常見(jiàn)的幾種就可以，其他可以用到再說(shuō)。

23種設(shè)計(jì)模式有哪些：

23種設(shè)計(jì)模式是由Gang of Four（GoF）在《設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》一書(shū)中提出的經(jīng)典設(shè)計(jì)模式，它們分為三大類(lèi)：創(chuàng)建型模式、結(jié)構(gòu)型模式和行為型模式。以下是這23種設(shè)計(jì)模式的詳細(xì)分類(lèi)及介紹：

一、創(chuàng)建型模式（5種）

單例模式（Singleton）：確保一個(gè)類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。

工廠(chǎng)方法模式（Factory Method）：定義一個(gè)用于創(chuàng)建對(duì)象的接口，讓子類(lèi)決定實(shí)例化哪一個(gè)類(lèi)。工廠(chǎng)方法使一個(gè)類(lèi)的實(shí)例化延遲到其子類(lèi)。

抽象工廠(chǎng)模式（Abstract Factory）：提供一個(gè)創(chuàng)建一系列相關(guān)或相互依賴(lài)對(duì)象的接口，而無(wú)需指定它們具體的類(lèi)。

建造者模式（Builder）：將一個(gè)復(fù)雜對(duì)象的構(gòu)建與它的表示分離，使得同樣的構(gòu)建過(guò)程可以創(chuàng)建不同的表示。

原型模式（Prototype）：用原型實(shí)例指定創(chuàng)建對(duì)象的種類(lèi)，并且通過(guò)拷貝這些原型來(lái)創(chuàng)建新的對(duì)象。

二、結(jié)構(gòu)型模式（7種）

適配器模式（Adapter）：將一個(gè)類(lèi)的接口轉(zhuǎn)換成客戶(hù)希望的另外一個(gè)接口。適配器模式讓原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些類(lèi)可以一起工作。

橋接模式（Bridge）：將抽象部分與它的實(shí)現(xiàn)部分分離，使它們都可以獨(dú)立地變化。

組合模式（Composite）：將對(duì)象組合成樹(shù)形結(jié)構(gòu)以表示“部分-整體”的層次結(jié)構(gòu)。它使得客戶(hù)對(duì)單個(gè)對(duì)象和組合對(duì)象的使用具有一致性。

裝飾器模式（Decorator）：動(dòng)態(tài)地給一個(gè)對(duì)象添加一些額外的職責(zé)。就擴(kuò)展功能而言，裝飾器模式比生成子類(lèi)方式更為靈活。

外觀模式（Facade）：為子系統(tǒng)中的一組接口提供一個(gè)一致的界面，定義了一個(gè)高層接口，這個(gè)接口使得這一子系統(tǒng)更加容易使用。

享元模式（Flyweight）：運(yùn)用共享技術(shù)有效地支持大量細(xì)粒度的對(duì)象。

代理模式（Proxy）：為其他對(duì)象提供一個(gè)代理或占位符，以控制對(duì)這個(gè)對(duì)象的訪(fǎng)問(wèn)。

三、行為型模式（11種）

模板方法模式（Template Method）：定義一個(gè)操作中的算法的骨架，而將一些步驟延遲到子類(lèi)中。模板方法使得子類(lèi)可以不改變一個(gè)算法的結(jié)構(gòu)即可重定義該算法的某些特定步驟。

策略模式（Strategy）：定義一系列的算法，把它們一個(gè)個(gè)封裝起來(lái)，并且使它們可相互替換。本模式使得算法的變化可獨(dú)立于使用它的客戶(hù)。

命令模式（Command）：將一個(gè)請(qǐng)求封裝為一個(gè)對(duì)象，從而使你可用不同的請(qǐng)求對(duì)客戶(hù)進(jìn)行參數(shù)化；對(duì)請(qǐng)求排隊(duì)或記錄請(qǐng)求日志，以及支持可取消的操作。

責(zé)任鏈模式（Chain of Responsibility）：為解除請(qǐng)求的發(fā)送者和接收者之間耦合，而使多個(gè)對(duì)象都有機(jī)會(huì)處理這個(gè)請(qǐng)求。將這些對(duì)象連成一條鏈，并沿著這條鏈傳遞該請(qǐng)求，直到有一個(gè)對(duì)象處理它。

狀態(tài)模式（State）：允許一個(gè)對(duì)象在其內(nèi)部狀態(tài)改變時(shí)改變它的行為。對(duì)象看起來(lái)似乎修改了它所屬的類(lèi)。

觀察者模式（Observer）：定義對(duì)象間的一種一對(duì)多的依賴(lài)關(guān)系，以便當(dāng)一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，所有依賴(lài)于它的對(duì)象都得到通知并自動(dòng)刷新。

中介者模式（Mediator）：用一個(gè)中介對(duì)象來(lái)封裝一系列的對(duì)象交互。中介者使各對(duì)象不需要顯式地相互引用，從而使其耦合松散，而且可以獨(dú)立地改變它們之間的交互。

迭代器模式（Iterator）：提供一種方法順序訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)聚合對(duì)象中各個(gè)元素，而又不需暴露該對(duì)象的內(nèi)部表示。

訪(fǎng)問(wèn)者模式（Visitor）：表示一個(gè)作用于某對(duì)象結(jié)構(gòu)中的各元素的操作。它使你可以在不改變各元素的類(lèi)的前提下定義作用于這些元素的新操作。

備忘錄模式（Memento）：在不破壞封裝性的前提下，捕獲一個(gè)對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)，并在該對(duì)象之外保存這個(gè)狀態(tài)。這樣以后就可將該對(duì)象恢復(fù)到保存的狀態(tài)。

解釋器模式（Interpreter）：給定一個(gè)語(yǔ)言，定義它的文法的一種表示，并定義一個(gè)解釋器，該解釋器使用該表示來(lái)解釋語(yǔ)言中的句子。

今天先梳理了這“四大件”的概念，后續(xù)會(huì)分開(kāi)說(shuō)下學(xué)習(xí)的資料和路徑，歡迎關(guān)注。

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