【Linux进程基础篇】总结 | =＞ 进程环境变量（超详细）

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每日鸡汤：Never frown， even when you are sad， because you never know who is falling in love with your smile

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前言

前面我们已经学习了进程的各种性质：

  • 竞争性：系统进程数目众多，而CPU资源只有少量甚至一个，所以进程之间具有竞争属性的，为了高效地完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级
  • 独立性：多程序运行需要独享各种资源，多进程运行期间互补干扰（多个程序，一个程序关闭，不影响另一个程序功能）
  • 并行：多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称为并行
  • 并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间内，让多个进程都需要得以推进。

一：并发的理解

        多个进程在一个CPU上采用进程切换的方式运行，所以当一个进程被调度到CPU上运行，若在一个时间片内运行完毕，则将该进程释放销毁，若在一个时间片时间内仍然没有运行完毕，则会采用进程切换的方式（根据优先级将其放入到等待队列相应的优先级链表当中），即排队。这就是基于进程切换的时间片轮转的调度算法。

排队（优先级）：一个进程从CPU上剥离下来的，该进程放到等待队列。这就是要维护两个队列的原因。

1.1：时间片

时间片（Timeslice）是操作系统中用于实现多任务处理的一种机制。在分时系统中，CPU的时间被分割成许多小的片段，称为时间片。每个进程或线程会被分配一个时间片，在这段时间内它可以独占使用CPU资源。当这个时间片用完后，操作系统会暂停当前进程，并将控制权交给下一个等待执行的进程，这样就实现了多个进程看似同时运行的效果。

 时间片轮转调度算法

        时间片轮转调度算法（Round Robin Scheduling）是一种常见的基于时间片的调度策略。在这种算法下，每个进程都会获得一个固定长度的时间片来执行。如果在这个时间片结束时进程还没有完成其工作，那么它就会被中断，放入队列的末尾，等待下一次被调度。这种方式可以确保所有进程都能得到公平的CPU时间。

        时间片的长度对系统的性能有直接影响。如果时间片太短，会导致频繁的上下文切换，增加开销；如果时间片太长，则可能导致响应性变差，因为其他进程需要等待更长时间才能得到CPU时间。因此，选择合适的时间片长度对于优化系统性能至关重要。

1.2：上下文进程切换

1.2.1：寄存器

在谈上下文切换时要先说一下有关寄存器的理解。

因为CPU有许多寄存器，那么就有两个问题：

  1. 为什么函数返回值，会被外部拿到呢？
  2. 系统如何得知我们的进程当前执行到哪行代码了？

问题一：为什么函数返回值，会被外部拿到呢？

看代码汇编：

return a;        //汇编语言：mov eax 10

即： 返回值是通过CPU内寄存器拿到的。

问题二：系统如何得知我们的进程当前执行到哪行代码了？

CPU内有一个计数寄存器PC。

程序计数器PC[eip](CPU内部寄存器)：记录当前程序正在执行指令的下一行指令的地址。

因为PC寄存器保存当前程序正在执行指令的下一行指令的地址。即通过PC寄存器可以随时知道当前程序运行的位置。这样系统就能够得知我们当前进程执行代码的位置。

CPU内部有着一整套寄存器：

通用寄存器：eax ebx ecx edx ...

栈帧结构寄存器：ebp esp eip ...

状态寄存器：status ...

........

1.2.2：上下文切换 

 那既然有那么多的寄存器，那么寄存器在计算机当中扮演什么样的角色呢？

=> 提高效率，进程的高频数据放入寄存器中。

即，CPU内的寄存器里面保存的是进程相关的数据，来对数据进行访问和修改

故：CPU寄存器里面保存的是进程的临时数据——也就是进程的上下文数据

引用一个小故事加深理解：

进入大学，军队机构从大学内选拔兵士，你非常幸运的被选拔上了。选拔上之后就要去军队机构报道进入军队。但是进入军队之前还要去学校的院长办公室告诉校长保存我的学籍。当兵之后要回到学校继续学习。首先就要先到校长办公室来开启你的学籍情况（避免已经上了一年多了，但是你的学籍还被封密保存的情况）。

同理进程：

进程 ——> 在CPU运行一个时间片完毕后进程没有执行 完——> 将进程当前位置的上下文数据[寄存器]保存好 ——> 当再次运行该进程的时候，会根据上下文数据[寄存器]找到上次没运行到的位置接着运行。

 所以上下文切换：

  1. 进程在从CPU离开的时候，要将自己的上下文数据保存好，甚至带走。【保存的目的，未来都是为了恢复】。
  2. 进程在被切换的时候，要有两个阶段——1.保存上下文;2.恢复上下文)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数.
  3. 第二次运行该进程时，会接着第一次运行该进程的所保存的最后的位置。

而在寄存器上含有关于寄存器的属性变量。

寄存器在CPU上，而在PCB内部的属性中的某一个“变量”属用来描述寄存器的各种属性的结构体。

二：认识几个环境变量

环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数。

2.1：PATH

为什么写完一个可执行程序后将其运行要./mycmd，而mycmd则是错误的。

发现问题：并没有找到mycmd的命令。

通过 which 指令找搜索路径：

可发现which pwd，能找到pwd指令路径/usr/bin/pwd。

但是which mycmd，该命令没有在（/usr/local/bin:/usr/bin:/usr/local/sbin:/usr/sbin:/home/alin/.local/bin:/home/alin/bin）内部中。那么这一串路径到底是什么呢？

看PATH环境变量？

一模一样！！！ 

这就引出了PATH环境变量的概念了。

PATH：Linux系统的指令默认搜索路径，即输入一串命令，首先要在PATH内部的一大串路径中的各个子路径去寻找(子路径与子路径之间用:分割)

 echo $PATH 查看PATH内部的路径情况

那么怎样才能直接输入 mycmd，运行当前可执行程序呢。这就需要对PATH环境变量做修改（两种方法）。

  • PATH=/Home/alin/test 覆盖PATH内部的路径
  • PATH=$PATH:/home/alin/test 给PAHT增加一个默认路径路径

对于直接覆盖PATH内部的路径，是不建议的。覆盖完之后，会导致很多指令都不可用了。虽然退出xshell后重新登录会恢复，但还是很冒失麻烦。

给PAHT增加一个默认路径路径（mycmd）：

增加了之后，直接输入 mycmd就会执行该可执行文件。 

2.2：HOME

环境变量HOME：查看当前用户家目录

  • echo $HOME root用户输出 /root
  • echo $HOME 普通用户输出 /home/普通用户的名字

cd $HOME 进入家目录

2.3：SHELL

SHELL是一个环境变量，通常用于指定用户默认使用的 shell 程序。在 Unix 和类 Unix 系统（如 Linux 和 macOS）中，常见的 shell 包括 bash、zsh、sh、ksh 等。

我们是如何知道当前使用的是哪一个shell呢？

那么，SHELL环境变量保存的是shell当前版本的可执行程序

直接输入 echo $SHELL来查看当前用户的默认SHELL

2.4：HISTSIZE

HISTSIZE是一个环境变量，用于控制 shell 历史记录中存储的命令数量。这个变量通常在 bash和其他类似的 shell 中使用。

 即，就是用来记录历史命令的。

输入：echo $HISTSIZE

2.5：env指令

查看所有的环境变量

 输入 env 命令查看所有的环境变量

如何一个环境变量呢？getenv函数

查看getenv函数用法：man getenv 命令

 用法：getenv("环境变量")

在mycmd.c文件：

查看运行结果：

所以：因为有了环境变量的存在，我们的系统就具备了认识当前用户是谁的能力，只要认识当前用户是谁，就可以和文件属性的拥有者、所属组做对比，继而判定你有没有读和写的能力。

三：环境变量

3.1：环境变量的理解

环境变量是系统提供的一组name=value形式的变量，不同的环境变量有不同的用户，通常具有全局属性。

 环境变量在系统启动的时候就已经有了。

那么全局属性到底是什么？

3.2：全局属性（命令行参数）

在理解全局属性之前要谈一个命令行参数。

平时在我们写的 main函数内部含有三个参数。agrc，argv，env。

int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{// ...
}// argc：int类型
argv：指针数组
env：指针数组

char* argv[]：指针数组。内部有 argc 个元素。

并且发现是在Linux命令行上写的指令。

./mycmd -a -b -c <==> "./mycmd -a -b -c" <==> 以空格为分割[bash做的打散]："./mycmd" "-a" "-b" "-c"

在argv向量表内部

  • argv[0] = "./mycmd"
  • argv[1] = "-a"
  • argv[2] = "-b"
  • argv[3] = "-c"

 那么Linux系统内bash为什么要这样干(打散)？ => 为指令工具、软件等提供命令行选项的支持！

 比如以 ls 指令为例：

  • ls -a
  • ls -l
  • ls -a -l -d

即，通过不同的选项实现不同的功能。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[], char* env[])
{if(argc!=2){printf("Usage:%s -[a/b/c/d]\n",argv[0]);return 0;}if(strcmp(argv[1],"-a")==0){printf("功能一[-a]\n");}else if(strcmp(argv[1],"-b")==0){printf("功能二[-b]\n");}else if(strcmp(argv[1],"-c")==0){printf("功能三[-c]\n");}else if(strcmp(argv[1],"-d")==0){printf("功能四[-d]\n");}else{printf("default功能\n");}return 0;
}

第三个参数 char* env[]【环境变量列表】 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{int i = 0;                                                                                            for(; env[i]; i++)                                                         {                                                                          printf("env[%d] => %s\n",i, env[i]);                                   }                                                                          return 0;                                                                 }

运行mycmd程序

发现env指针数组内存储的是全部的环境变量。

当main函数无参的时候还有另一种方式查看环境变量（environ）：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{//无参调用环境变量extern char** environ;int i=0;for(; environ[i]; i++){printf("environ[%d] = %s\n",i,environ[i]);}return 0;
}

运行结果（正常显示出环境变量）：

 总结：

C/C++一共有两张核心向量表

  • 第一张表：命令行参数表【命令行选项】
  • 第二张表：环境变量表【环境变量】

运行该程序时，一定会先将这两张表传过去。

即：我们所运行的进程都是子进程，bash本身在启动的时候会从操作系统的配置文件中读取环境变量信息。子进程会继承父进程交给我的所有环境变量。

所以，环境变量会从所有子进程中一直继承下去。这就是全局属性！！！

验证？

创建一个子进程：

#include <stdio.h>                                                                                        
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{pid_t id = fork();if(id==0)    //在子进程内{int i = 0;for(; env[i]; i++){printf("env[%d] => %s\n",i, env[i]);}}return 0;
}

四：本地变量&内建命令

4.1：本地变量

在命令行中直接定义

本地变量：不会被子进程继承，只会在本地bash内部有效。

直接在命令行中输入：

  • a=1
  • b=2
  • ...... 

查看a变量和b变量：

  • echo $a
  • echo $b

 查看系统中所有的变量【本地变量 + 环境变量】

set 指令：

这样即可查看系统内所有的变量，包括环境变量和本地变量。 

将本地变量转换成为环境变量（export）

将本地变量a转换成为环境变量。

4.2：内建命令

Linux系统中有两批命令：

  1. 常规命令——通过创建子进程完成的
  2. 内建命令——bash不创建子进程，而是由自己亲自执行，类似于bash调用自己写的或有系统提供的函数

 看一个例子：

  1. my_data=666
  2. echo $my_data         //bash的子进程

 echo也是一条指令，它要不要创建子进程？

=> 答：不需要，它类似于一个函数，类似于是bash内部的一个函数

即，echo是一个内建命令

所以，echo指令是由bash亲自执行的。不是创建的子进程完成的。所以有能查看本地变量的功能.

相应的我们学的cd变量也是内建命令，【即可以在程序内部，修改路径】

如何验证cd内建命令呢? 使用 chdir 函数

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[], char* env[])
{sleep(30);        //留下时间操作printf("change begin:\n");if(argc==2){chdir(argv[1]); //更改成这个路径}printf("change end\n");sleep(30);return 0;
}

修改默认当前路径为根目录/ 

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