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Linux第十四节 — 环境变量和进程地址空间

article 2025/2/26 3:02:51

一、并发和并行

首先，我们引入两个概念：

  • 并发：多个进程在多个CPU下分别运行，称为并发；
  • 并行：多个进程在1个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称为并行；

接下来我们介绍一种并行情况下，CPU基于进程切换和时间片轮转的调度算法：

        每个进程执行固定的时间片的时间(通常为10ms~100ms)，此时若该进程未被执行完，则会被强制挂起，然后到等待队列当作排队！

        此时我们会有一个疑问：如果该进程的优先级为60，那么执行完时间片后此时再次排队还是轮到它，会被一直调用吗？

        答案：不会！因为对于进程调用结束后，此时会去另一个等待队列当中排队，当运行队列中所有的进程都被执行结束后，才会再次调用该进程！

CPU当作存在不少的寄存器！

接下来我们拓展两个方面的问题：

  • 为什么函数的返回值，会被外界拿到呢？

实际上我们是将返回值保存到寄存器中，然后再从寄存器中取数据！

在32位环境下，返回值通常存放在eax寄存器，64位则是eax和edx。

  • 系统如何得知我们的进程当前执行到哪行代码了？

这里因为CPU内有程序计数器pc，也叫eip：作用是记录当前进程执行指令的下一行指令的地址！

程序计数器本质是一个存储指令地址的寄存器，它始终指向下一条待执行的机器指令地址。

接下来我们介绍一些常见的寄存器：

这些寄存器的作用是什么？

        答案：提高效率，将进程相关的高频数据存放到寄存器中！（距离CPU越近，存储的效率越高！）

也就是说寄存器存放的是和进程相关的数据！（这些数据可能随时被CPU进行修改或者访问的！）

因此，可以得出相关结论：CPU中存放的是进程的临时数据，也就是进程的上下文！

什么是上下文?（deepseek）

进程的上下文数据主要包括CPU寄存器中的临时值，具体分为：

  • 通用寄存器（如eax、erx）：存储运算产生的中间数据 。
  • 指令相关寄存器：
    • eip（扩展指令指针）：指向下一条待执行指令的地址（即程序计数器PC） 。
    • ir（指令寄存器）：暂存当前正在执行的指令 。
  • 状态寄存器（如PS程序状态字）：记录处理机的硬件状态（如中断标志、运算结果状态等）。
  • 堆栈指针（如ESP）：指向当前栈顶位置 。

此外，上下文还包含与进程相关的内存映射信息（如页表）、打开的文件描述符等系统级数据。

        需要注意：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！（否早下一个进程来执行的时候会将代码和数据进行覆盖！）

保存的目的都是为了将来再次调用的时候恢复数据！

因此进程切换的时候包含两个重要步骤：

  • 保存上下文；
  • 回复上下文；

那么上下文是保存到哪里的？

实际上进程的上下文是保存在对应的PCB里面！（暂时可以这样认为）

就例如上面的，此时task_struct里面包含一个结构体对象reg_info，用来包含上下文的信息；

上下文存放到哪里？(deepseek)

上下文数据存储在进程的PCB（进程控制块）中。例如：

  • Linux的PCB是task_struct结构体，其中的tss_struct（任务状态段）专门保存寄存器上下文 。
  • 上下文数据在进程被切换出CPU时会被更新到PCB，下次调度时再加载到CPU寄存器以恢复执行 。
     

二、环境变量引入

系统指令搜索路径

        当我们运行我们的程序的时候，我们一般需要./a.out来进行运行，其中需要标注当前程序的所在路径，但是为什么系统的指令，例如ls，pwd等不需要路径呢？

        这是因为系统的只能都被包含在了系统路径中！

        例如当我们通过echo $PATH即可查看系统路径，其中上面的路径通过:来区分；

        也就是当，当我们执行指令的时候，系统会在PATH查找对应的路径，如果不存在此时就需要自己添加路径！

如何修改环境变量？

如果我们直接进行:PATH=路径；

此时相当于全部进行覆盖！

但是如果我们此时：

PATH=$PATH:路径名 

此时会在后面新增！（注意PATH左右不能+空格！）

上面我们更改的环境变量是内存级别的，也就是说如果我们不小心覆盖了环境变量，重启一下系统即可！

export 的作用：

  • 核心功能：将变量设置为环境变量，使该变量对当前 Shell 进程及其所有子进程可见。
  • 对比：如果直接写 PATH=$PATH:hello（不加 export），变量 PATH 仅对当前 Shell 进程有效，子进程（如新启动的终端、脚本等）无法继承这个修改。

接下来我们介绍几个其他的环境变量相关的指令：

env：显示当前环境下所有的环境变量！

  • HOSTNAME:表示当前环境下的主机名；
  • HISTSIZE:存储的历史指令的条数（1000条）；（history可以查看历史所用到的指令）
  • USER:代表当前的账户；
  • LS_COLORS:代表当前的配色方案；
  • LOGNAME:表示当前的登录用户；
  • OLDPWD: 表示当前路径的上一个路径（cd OLDPWD相当于cd ~）；

当我们从root切换到普通用户的时候，USER和LOGNAME也会变成普通用户！

获取环境变量的方式

如果我们不想通过指令env查看获取环境变量，还有没有其他方式？

答案：我们可以使用系统提供的环境变量的系统调用接口来获取！

getenv() --- 需要包含头文件#include<stdlib.h>;

例如下面所示代码：

接下来我们可以给出定义：什么是环境变量？

        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；

引入：命令行参数

我们在命令行输入的参数，实际上对于bash来说是一个字符串！然后通过空格进行分割！

命令行参数以空格为分隔符！

当前对于命令行的两个参数：

  • argc表示参数的个数，也就是字符指针数组中的元素的个数；
  • argv[]表示一个字符指针数组；

以下面的代码为例，我们做一个例子：

这里我们./mycmd -a的本质和ls -a的本质是一样的！ 

因此命令行参数的一个重要功能：为指令、工具、选项等提供命令行选项的支持！

那么main除了上面这两个参数，还有其他参数吗？

答案是：有的，main函数的第三个参数是char* env；

因此，当我们执行一个程序的时候，最重要的是里面存在两张向量表：

  • 命令行参数表；
  • 环境向量表；

下面是来自deepseek的解释：

一、main函数参数

main函数的标准形式有两种，其中第二种支持命令行参数和环境变量表：

int main(int argc, char *argv[]); // 命令行参数表

int main(int argc, char *argv[], char *envp[]); // 包含环境变量表（非标准但常见）

  1. argc（参数个数）

    • 作用：记录命令行参数的个数，包括程序名称本身。
    • 示例：执行./a.out arg1 arg2时，argc=3（程序名+2个参数） 。

  2. argv（参数向量）

    • 结构：指针数组，每个元素指向一个命令行参数的字符串。
    • 特点：
      • argv[0]：程序名称（如./a.out）。
      • argv[1]到argv[argc-1]：用户输入的参数。
      • argv[argc]：NULL指针，表示参数结束。
    • 示例：

      // 打印所有命令行参数 for (int i = 0; i < argc; i++) { printf("argv[%d] = %s\n", i, argv[i]); }

      执行./a.out hello world输出：

      argv[0] = ./a.out argv[1] = hello argv[2] = world ``` [3](@ref) [4](@ref)。

  3. envp（环境变量表，可选）

    • 作用：存储程序运行时的环境变量，形式为name=value字符串数组，以NULL结尾。
    • 访问方式：
      • 通过main的第三个参数char *envp[]（非标准扩展）。
      • 全局变量extern char **environ（POSIX标准）。
    • 示例：遍历环境变量表：

      extern char **environ; for (int i = 0; environ[i] != NULL; i++) { printf("%s\n", environ[i]); } ``` [5](@ref) [7](@ref)。

二、命令行参数表（argv）

  1. 传递方式

    • 命令行输入：参数以空格分隔，含空格的参数需用引号包裹（如"hello world"） 。
    • IDE设置：在开发工具（如Visual Studio）中通过项目属性添加参数 。
       
    • 应用场景：配置文件路径、运行模式（如调试模式-d）、输入输出文件名等 。
       

  2. 实际应用示例（文件拷贝）

    #include <stdio.h> int main(int argc, char *argv[]) { if (argc != 3) { printf("用法：%s 源文件 目标文件\n", argv[0]); return -1; } FILE *src = fopen(argv[1], "r"); FILE *dst = fopen(argv[2], "w"); // 文件拷贝逻辑... fclose(src); fclose(dst); return 0; }

    执行./copy input.txt output.txt即可完成文件复制。

三、环境变量表（environ或envp）

  1. 常见环境变量

    • PATH：可执行文件搜索路径。
    • HOME：用户主目录。
    • USER：当前用户名。
    • LANG：系统语言设置 。
       

  2. 操作函数

    • 获取变量值：char *getenv(const char *name)。

      char *path = getenv("PATH"); printf("PATH: %s\n", path); ``` [5](@ref) [7](@ref)。

    • 设置/修改变量：int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite)。

      setenv("MY_VAR", "123", 1); // 设置或覆盖环境变量 ``` [5](@ref) [7](@ref)。

  3. 环境变量表结构

    • 每个元素是name=value格式的字符串。
    • 示例输出：

                PATH=/usr/bin:/bin HOME=/home/user USER=alice ``` [5](@ref) [7](@ref)。

        所以当我们运行程序的时候，不仅仅是将程序加载到内存中，更重要的是当我们调用main函数的时候，有人将命令行参数表和环境变量表，这两张表传递进来！

        接下来我们可能会发现一种现象：当我们在执行程序之前，通过env指令就可以查看当前的环境变量，执行程序后也可以通过main函数进行查看环境变量，并且两种途径查询得到的环境变量的结果是一样的！

因此我们可以得出一个结论：

  •         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的信息，子进程会继承父进程交给我们的环境变量！
  •         因此，一定我们定义好了环境变量，子进程会继承我们之前定义的环境变量，这也解释了为什么环境变量具有全局属性！

        环境变量也算数据，当我们创建子进程之后，如果通过子进程对环境变量进行修改，此时不能影响父进程！（写时拷贝）；

如何定义一个环境变量？

export MYENV="hello"

直接通过关键字export即可！

如何取消一个环境变量？

unset MYENV="hello"

通过关键字unset即可取消！

引入本地变量和内建命令

什么是本地变量？

我们可以直接在命令行对其进行定义：

如果我们想要查询系统中所有的变量(包含本地变量和环境变量)，我们应该怎么做？

通过指令set即可！(set内包含各种本地变量，可用于bash命令行的指令的格式输入)

本地变量的特点：不会被子进程继承！只在本bash内部有效！

将本地变量导成环境变量：

export MYVAL

这里的MYVAL是本地变量；

本地变量的特点：本地变量只会在本BASH内有效，不会被继承！

本地变量的特点

  1. 作用域限制

    • 仅当前Shell进程有效：本地变量仅在定义它的Shell进程内有效，无法被其他进程或子进程直接访问 。
       
    • 不继承性：子进程无法继承父进程的本地变量（除非通过export转换为环境变量） 。
       
    • 示例：在脚本中定义的本地变量，其他脚本或子Shell无法直接读取。

  2. 生命周期

    • 临时性：本地变量随当前Shell进程的终止而销毁。若需持久化，需手动写入Shell配置文件（如~/.bashrc） 。
       
    • 示例：在终端直接定义的变量（如var=123）关闭终端后失效。

  3. 存储位置

    • Shell内存中：本地变量直接存储在Shell进程的内存中，而非系统或用户配置文件中 。
       
    • 查看方式：通过set命令查看所有本地变量（包括环境变量） 。

  4. 用途

    • 脚本内部逻辑：常用于脚本中临时存储中间值、循环控制等。
    • 环境隔离：避免全局污染，例如在脚本中临时修改PATH而不影响其他进程 。

  5. 定义与修改

    • 直接赋值：通过变量名=值定义（注意等号两侧无空格）。
    • 无需特殊命令：默认定义的变量为本地变量，除非显式用export提升为环境变量。

接下来我们提出一个问题：

既然本地变量不会被继承，那么我们通过bash创建子进程，此时子进程通过echo获取到变量值，为什么它能获取到？

因为echo是内建命令！

Linux下常有两种命令：

  • 常规命令：通过创建子进程来完成的；
  • 内建命令：bash不创建子进程，而是由自己亲自执行，类似bash调用了自己写的，或者是系统提供的函数！

        因此这里的echo也是内建指令，因为本地变量是直接保存在bash里面！所以这里没有创建子进程，而是通过接口直接在bash里面进行获取！

接下来我们给出deepseek定义的内建命令的概念：

        Linux中的内建命令（Built-in Commands）是直接集成在Shell解释器内部的命令，执行时无需创建子进程，因此效率更高。它们通常用于Shell环境管理、变量操作、流程控制等场景。以下是内建命令的特点和常见示例：

内建命令的特点

  1. 无需外部程序：内建命令是Shell自身的一部分，无需通过/bin或usr/bin中的外部程序执行。
  2. 高效执行：不创建子进程，执行速度快 。
  3. 影响当前Shell环境：例如修改工作目录（cd）或设置环境变量（export）等操作会直接影响当前Shell进程 。

        如果上面的代码是实现bash的接口，那么对于其他指令我们需要通过fork创建子进程来完成，但是对于cd指令，我们可以直接通过在函数体内调用chdir来实现！（即cd指令是bash进程自己实现的内置命令！） 

        除了上面两种获取环境变量的方法，我们还可以通过第三方变量environ来获取！

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

注意的是：使用该变量之前我们需要对其进行声明！

 


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