一、初步認(rèn)識(shí)環(huán)境變量

1.1常見的環(huán)境變量

• PATH：Linux系統(tǒng)下的指令命令的默認(rèn)搜索路徑

• HOME：用戶登錄shell的默認(rèn)主工作目錄

• SHELL：當(dāng)前Shell,它的值通常是/bin/bash

為什么我們運(yùn)行自己的可執(zhí)行程序需要加./，而一些指令可以直接執(zhí)行，這是因?yàn)榇嬖诃h(huán)境變量PATH，它是Linux下指令的默認(rèn)搜索路徑，當(dāng)運(yùn)行一個(gè)指令時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)到PATH中去查找該指令的所在路徑 ，當(dāng)我們把我們可執(zhí)行程序的路徑添加到PATH中，也可像指令一樣直接執(zhí)行，不需要添加./

和環(huán)境變量相關(guān)的指令

• 1. echo: 顯示某個(gè)環(huán)境變量值
• 2. export: 設(shè)置一個(gè)新的環(huán)境變量
• 3. env: 顯示所有環(huán)境變量
• 4. unset: 清除環(huán)境變量
• 5. set: 顯示本地定義的shell變量和環(huán)境變

1.2環(huán)境變量的基本概念

環(huán)境變量是系統(tǒng)引入的一套name=value形式的變量，不同的環(huán)境變量具有不同的用途，環(huán)境變量具有全局屬性

環(huán)境變量一般是指在操作系統(tǒng)中用來指定操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的一些參數(shù)

有了全局屬性這個(gè)概念，以下要引入命令行參數(shù)來解釋這個(gè)概念

二、命令行參數(shù)

2.1通過命令行參數(shù)獲取環(huán)境變量

main函數(shù)有三個(gè)參數(shù)，int  agrc ,char*argv[ ] ,char*evn[ ]

當(dāng)我們?cè)谳斎敫鞣N指令，運(yùn)行各種程序時(shí)，本質(zhì)上輸入的都是一個(gè)一個(gè)的字符串，bash會(huì)根據(jù)空格將這些字符串一一劃分，argc就是用來記錄劃分字符串的個(gè)數(shù)的，argv是一張叫作命令行參數(shù)的表（本質(zhì)上是一個(gè)指針數(shù)組），里面存儲(chǔ)的是被bash分割形成的一個(gè)個(gè)字符串的地址

為什么需要命令行參數(shù)表呢？因?yàn)檫@樣可以為我們的指令、軟件、軟件等提供命令行選項(xiàng)支持！

命令行參數(shù)表是以NULL為結(jié)束的

實(shí)例：通過argv查看命令行參數(shù)

實(shí)例：通過命令行參數(shù)argc和agrv來進(jìn)行選項(xiàng)的設(shè)置

main函數(shù)中還有一個(gè)參數(shù)evn，它對(duì)應(yīng)是一張環(huán)境變量表，可以通過打印該表來查看系統(tǒng)的所以環(huán)境變量

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，子進(jìn)程的環(huán)境變量和env展示出來的環(huán)境變量一模一樣！這就可以解釋為什么環(huán)境變量具有全局屬性了！我們所運(yùn)行的進(jìn)程都是子進(jìn)程，bash本身在啟動(dòng)時(shí)會(huì)從操作系統(tǒng)的配置文件中讀取環(huán)境變量， 形成一張環(huán)境變量表，這個(gè)表會(huì)被子進(jìn)程的main函數(shù)參數(shù)接收，也就是說，子進(jìn)程會(huì)繼承父進(jìn)程交給它的環(huán)境變量，所有建立在父進(jìn)程上的子進(jìn)程都會(huì)有相同的一份環(huán)境變量2.2本地變量和內(nèi)建命令

本地變量：只會(huì)在本bash內(nèi)部有效，不會(huì)被子進(jìn)程繼承

set可以查看所以變量（環(huán)境變量&&本地變量）

export可以把本地變量設(shè)置成成環(huán)境變量

子進(jìn)程中也可以查找到一份

通過unset可清除設(shè)置的環(huán)境變量

我們知道任何程序和指令在運(yùn)行時(shí)都是bash的子進(jìn)程，本地變量只對(duì)本bash內(nèi)部有效，那么這里就有一個(gè)問題了：為什么使用echo可以顯示出MY_VALUE的內(nèi)容呢？

這里就要再引入一個(gè)新的概念：內(nèi)建命令

1. 常規(guī)命令：通過創(chuàng)建子進(jìn)程完成的
2. 內(nèi)建命令：bash不創(chuàng)建子進(jìn)程，由bash自己執(zhí)行，類似bash通過調(diào)用自己內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的函數(shù)或者系統(tǒng)提供的函數(shù)，比如echo、cd都屬于內(nèi)建命令，比如我們?cè)赾d時(shí)改變的是bash下的工作目錄，并不會(huì)去改變子進(jìn)程所在的目錄
3. 模擬實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有cd功能的指令--chdir（）系統(tǒng)提供的一個(gè)改變當(dāng)前工作目錄的函數(shù)

2.3環(huán)境變量的獲取

• 第一種就是上面演示的通過命令行的第三個(gè)參數(shù)獲取
• 第二種是通過第三方變量environ獲取

第三種是通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)獲取或者設(shè)置環(huán)境變量--getenv()和putenv()

三、進(jìn)程地址空間

3.1進(jìn)程（虛擬）地址空間的引入

觀察下面代碼的運(yùn)行結(jié)果：可以看到子進(jìn)程對(duì)全局變量g_val1進(jìn)行修改，父進(jìn)程和子進(jìn)程輸出變量的值不一樣，但是地址是一樣的，說明該變量所在的地址一定不是物理地址！父子進(jìn)程輸出的變量在物理地址上看來也不是同一個(gè)變量！我們?cè)谟肅/C++語言看到的也是虛擬地址，真正的物理地址用戶是看不見到，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理

操作系統(tǒng)必須負(fù)責(zé)物理地址和虛擬地址之間的映射，那操作系統(tǒng)具體是如何做到的呢？

3.2進(jìn)程地址空間的布局和理解

結(jié)合fork() 初步理解地址進(jìn)程空間

前面已經(jīng)談到，fork()創(chuàng)建子進(jìn)程成功，會(huì)有兩個(gè)返回值，給父進(jìn)程返回子進(jìn)程的pid，給子進(jìn)程返回0。fork()之后創(chuàng)建的子進(jìn)程，在內(nèi)存中除了有一個(gè)以父進(jìn)程為模板（拷貝）的pcb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還有一個(gè)從父進(jìn)程拷貝下來的mm數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（進(jìn)程地址空間）和一個(gè)頁表，頁表中存著變量虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系、權(quán)限字段、判斷數(shù)據(jù)在內(nèi)存還是磁盤的字段，通過映射關(guān)系，可以找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址

子進(jìn)程剛創(chuàng)建的時(shí)候，在mm中數(shù)據(jù)的虛擬地址和父進(jìn)程是一樣的，我們打印看到的都是這個(gè)虛擬地址，子進(jìn)程剛拷貝父進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容的時(shí)候，代碼和數(shù)據(jù)都是共用的，并且數(shù)據(jù)在頁表中的權(quán)限會(huì)被設(shè)置為只讀

由于代碼是共享的，那么在fork()return前子進(jìn)程被創(chuàng)建好了，return就會(huì)被父子進(jìn)程各執(zhí)行一次，又由于return的實(shí)質(zhì)就是在對(duì)變量進(jìn)行寫入，這時(shí)候就相當(dāng)于要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改

當(dāng)子進(jìn)程和父進(jìn)程有一方要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，就會(huì)觸發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)的非法操作，從而發(fā)生缺頁中斷，此時(shí)操作系統(tǒng)就會(huì)重新在內(nèi)存中開辟一塊空間，將要修改的數(shù)據(jù)拷貝一份作修改，再重新建立映射關(guān)系，這個(gè)過程也叫寫時(shí)拷貝，這樣父子進(jìn)程就做到了各自私有一份數(shù)據(jù)

我們上面代碼所展示的結(jié)果，地址一樣變量值不一樣，這是因?yàn)榇蛴〕鰜淼牡刂肥翘摂M地址，子進(jìn)程拷貝了父進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，所以他們的虛擬地址就是一樣的；變量值不一樣是因?yàn)?，寫時(shí)拷貝后虛擬地址在頁表中映射的物理地址不一樣，找到的數(shù)據(jù)當(dāng)然也就并不一樣了。這兩個(gè)原因結(jié)合就說明了我們所看到的現(xiàn)象

3.3什么是地址空間？

地址總線排列組合形成的地址范圍[0,2^32) 32根地址總線

3.4地址空間如何進(jìn)行區(qū)域劃分？

進(jìn)程地址空間本質(zhì)上是描繪進(jìn)程可視范圍大小，在內(nèi)核上他是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象（mm_struct），也要被 操作系統(tǒng)管理，地址空間通過各個(gè)區(qū)域的star和end對(duì)區(qū)域進(jìn)行線性（區(qū)域）劃分，在一個(gè)區(qū)域的范圍內(nèi)，連續(xù)空間中，每一個(gè)最小單元都有地址，都可以被使用

區(qū)域空間的調(diào)整，本質(zhì)上就是通過調(diào)整每個(gè)區(qū)域的star和end

3.5進(jìn)一步理解進(jìn)程和進(jìn)程地址空間

目前為止，我們所說的進(jìn)程，就是：進(jìn)程=內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象（pcb,mm,頁表）+程序的代碼和數(shù)據(jù)（可執(zhí)行文件） 

為什么需要進(jìn)程地址空間？

讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角來看待內(nèi)存：如果進(jìn)程直接和物理地址進(jìn)行交互，那么進(jìn)程的pcb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中就勢(shì)必要存在各個(gè)數(shù)據(jù)的物理地址。一個(gè)進(jìn)程的各個(gè)數(shù)據(jù)部分，在物理內(nèi)存中實(shí)際是亂序的，但是有了地址空間（mm_struct）之后：代碼就在代碼段，數(shù)據(jù)就在數(shù)據(jù)段該在堆區(qū)的在堆區(qū)，該在棧區(qū)的在棧區(qū)同時(shí)，這些連續(xù)的虛擬地址再經(jīng)過的頁表映射到物理內(nèi)存，這樣，讓進(jìn)程數(shù)據(jù)地址從無序變有序，讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角看待物理內(nèi)存以及各個(gè)運(yùn)行區(qū)域，每個(gè)進(jìn)程都會(huì)以為自己占有了整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存資源

攔截對(duì)內(nèi)存的非法操作和異常訪問：進(jìn)程地址空間讓我們?cè)谠L問內(nèi)存的時(shí)候有一個(gè)轉(zhuǎn)化的過程，在這個(gè)過程中，如果我們對(duì)內(nèi)存進(jìn)行了非法操作和訪問，那么就會(huì)被攔截，物理內(nèi)存不會(huì)收到影響，進(jìn)而保護(hù)了物理內(nèi)存

有了進(jìn)程地址空間和頁表，就可以做到將進(jìn)程管理模塊和內(nèi)存管理模塊進(jìn)行解耦合：進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候不會(huì)關(guān)心操作系統(tǒng)是如何申請(qǐng)內(nèi)存的，對(duì)進(jìn)程的管理和對(duì)內(nèi)存的申請(qǐng)都是由操作系統(tǒng)來完成，他們互不干擾！操作系統(tǒng)不做任何浪費(fèi)時(shí)間和空間的事情，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)了內(nèi)存，但是它又不立即使這塊內(nèi)存的時(shí)候，就相當(dāng)于占用了內(nèi)存資源，這時(shí)候操作系統(tǒng)會(huì)采用惰性加載的方式：給該進(jìn)程一個(gè)虛擬地址，但在頁表中并沒有實(shí)際映射的物理地址，也就是說進(jìn)程看到的是已經(jīng)開辟好的虛擬地址，但在物理內(nèi)存上并沒有真的申請(qǐng)到空間；當(dāng)進(jìn)程需要內(nèi)存的時(shí)候，找不到映射的物理地址觸發(fā)缺頁中斷，此時(shí)操作系統(tǒng)就會(huì)給它開辟空間，建立映射關(guān)系。從而說明了，pcb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象的創(chuàng)建先于可執(zhí)行程序的加載

3.6頁表的理解

頁表不僅僅有虛擬地址和物理地址的映射，還有對(duì)應(yīng)的權(quán)限，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程要對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)修改時(shí)，本質(zhì)是通過虛擬地址找到對(duì)應(yīng)物理內(nèi)存的數(shù)據(jù)再修改，當(dāng)要修改某一個(gè)數(shù)據(jù)，但是該數(shù)據(jù)在頁表的所記錄的權(quán)限只有rx，僅僅允許只讀，那么就會(huì)修改動(dòng)作就會(huì)被攔截，直接報(bào)錯(cuò)，程序崩潰，修改這個(gè)動(dòng)作就不會(huì)被允許

這也就是為什么，一個(gè)程序崩潰時(shí)，并不會(huì)影響其他進(jìn)程，因?yàn)楸罎⒌某绦蛟谔摂M內(nèi)存頁表層就已經(jīng)被攔截，操作系統(tǒng)會(huì)直接殺掉進(jìn)程，進(jìn)而也就不會(huì)影響其他進(jìn)程的運(yùn)行

總結(jié)：頁表存在CPU的cr3寄存器（物理地址），進(jìn)程在被CPU調(diào)度和離開CPU的時(shí)候，都要帶走寄存器里的數(shù)據(jù) ，CPU在運(yùn)行程序時(shí)，為了獲取數(shù)據(jù)，就會(huì)通過cr3寄存器里的頁表地址找到該進(jìn)程的頁表，頁表中的虛擬地址通過映射得到物理地址，進(jìn)而可以訪問到物理內(nèi)存，同時(shí)會(huì)根據(jù)虛擬地址和物理地址的映射權(quán)限（rwx）來決定是否能對(duì)該物理內(nèi)存進(jìn)行操作，如果非法操作，該請(qǐng)求會(huì)被攔截，操作系統(tǒng)會(huì)將此進(jìn)程殺掉

三個(gè)實(shí)例體現(xiàn)頁表的作用

進(jìn)程的掛起是如何實(shí)現(xiàn)的？前面說到，頁表中還存在一個(gè)用來判斷數(shù)據(jù)是在內(nèi)存還是在磁盤中的字段，進(jìn)程的掛起就是將該進(jìn)程所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和代碼換出到外設(shè)分區(qū)中，那么這時(shí)候操作系統(tǒng)只需要通過修該字段就可以知道進(jìn)程是否處于掛起狀態(tài)

進(jìn)程的獨(dú)立性：進(jìn)程的獨(dú)立性表現(xiàn)在，每個(gè)進(jìn)程都有自己私有的一份數(shù)據(jù)，以及每個(gè)進(jìn)程都有自己的一份mm_struct進(jìn)程地址空間，這就保證了每個(gè)進(jìn)程只能訪問自己的進(jìn)程地址空間，相互之間不得訪問！也就是說，如果進(jìn)程直接和物理內(nèi)存打交道，那么就可能訪問到其他進(jìn)程的數(shù)據(jù)，但是由于進(jìn)程地址空間的存在，非法訪問在頁表層面就會(huì)被攔截，確保了更個(gè)進(jìn)程之間不會(huì)非法訪問和篡改對(duì)方的數(shù)據(jù)

代碼和字符常量區(qū)的數(shù)據(jù)為什么是只讀的？如果這寫數(shù)據(jù)本身是只讀的，那么它就不可能從磁盤加載到內(nèi)存中！這邊的只讀是在頁表層面上的只讀！它在頁表中的權(quán)限被設(shè)置成只讀，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程試圖修改該部分的數(shù)據(jù)，一樣會(huì)被攔截

四、Linux內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度隊(duì)列

4.1優(yōu)先級(jí)

• 普通優(yōu)先級(jí)：100～139（我們都是普通的優(yōu)先級(jí)，想想nice值的取值范圍，可與之對(duì)應(yīng)！）
• 實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)：0～99（不關(guān)心）

4.2活動(dòng)隊(duì)列

• 所有時(shí)間片還沒結(jié)束的進(jìn)程都被放在活動(dòng)隊(duì)列
• 本質(zhì)上是一個(gè)指針數(shù)組，數(shù)組的下標(biāo)就表示優(yōu)先級(jí)，從100開始
• 調(diào)度過程

1. 從[0,140)開始遍歷，找到第一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高且非空的隊(duì)列
2. 從該隊(duì)列的第一個(gè)進(jìn)程開始調(diào)度運(yùn)行
3. 但由于逐一遍歷數(shù)組的效率太低下了，為了提高查找非空隊(duì)列的效率，可以采用位圖的思想，用5*32個(gè)比特位來隊(duì)列是否為空

4.3過期隊(duì)列

• 過期隊(duì)列的結(jié)構(gòu)和活動(dòng)隊(duì)列一樣
• 過期隊(duì)列上放的都是時(shí)間片過期的隊(duì)列
• 當(dāng)活動(dòng)隊(duì)列的進(jìn)程都調(diào)度結(jié)束了，那么swap交換兩個(gè)隊(duì)列的指針，就可以對(duì)過期隊(duì)列的進(jìn)程進(jìn)行時(shí)間片的重新計(jì)算，等待調(diào)度運(yùn)行

4.4active指針和expired指針

• active指針指向活動(dòng)隊(duì)列
• expired指針指向過期隊(duì)列
• 當(dāng)活動(dòng)隊(duì)列的進(jìn)程全都調(diào)度完畢，swap交換兩個(gè)指針，就相當(dāng)于有了新的活動(dòng)隊(duì)列

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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