【Linux】进程概念—环境变量

目录

一、冯诺依曼体系结构

二、操作系统(Operator System)

         1 .概念

         2 .设计OS的目的

         3 . 定位

         4 . 系统调用和库函数概念

三、进程

         1 .基本概念

         2 .描述进程-PCB（process control block）进程控制块

         3 . 组织进程

         4 . 查看进程

         5 .通过系统调用获取进程标示符

         6 .通过系统调用创建进程-fork

          7 . 进程运行

四、进程状态

         1 .Linux内核源代码

         2 .进程状态查看

         3 . Z(zombie)-僵尸进程

         4 . 孤儿进程

         5 .进程运行态（R）

         6 .进程阻塞（S，D）

         7 .进程挂起

         8 .进程切换

五、进程优先级

         1 .基本概念

         2 .查看系统进程

         3 . PRI and NI

         4 . PRI vs NI

         5 .查看进程优先级的命令

         6 .其他概念

六、环境变量

命令行参数：

         1 .基本概念

         2 .常见环境变量

         3 . 查看环境变量方法

         4 . 和环境变量相关的命令

内建命令

         5 .环境变量的组织方式

         6 .通过代码如何获取环境变量

         7 .通过系统调用获取或设置环境变量

         8 .环境变量通常是具有全局属性的

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一、冯诺依曼体系结构

我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

1.输入单元：包括键盘 , 鼠标，扫描仪 , 写板等

 

2.中央处理器 (CPU) ：含有运算器和控制器等

 

3.输出单元：显示器，打印机等

注意：

这里的存储器指的是内存

不考虑缓存情况，这里的 CPU 能且只能对内存进行读写，不能访问外设 ( 输入或输出设备 )

外设 ( 输入或输出设备 ) 要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

二、操作系统(Operator System)

         1 .概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统 (OS) 。笼统的理解，操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

 

其他程序（例如函数库， shell 程序等等）

         2 .设计OS的目的

与硬件交互，管理所有的软硬件资源

  

为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

         3 . 定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是： 一款纯正的 “ 搞管理 ” 的软件

总结

 

计算机管理硬件

1. 描述起来，用 struct 结构体

 

2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

         4 . 系统调用和库函数概念

在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。

系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

三、进程

         1 .基本概念

课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等

 

内核观点：担当分配系统资源（ CPU 时间，内存）的实体。

         2 .描述进程-PCB（process control block）进程控制块

操作系统中，进程可以同时存在非常多

一个进程一定要有一个pcb 

进程=PCB+自己的代码和数据~~ 进程=内核task_struct结构体+程序的代码和数据

进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。

 

课本上称之为 PCB （ process control block ）， Linux 操作系统下的 PCB 是 : task_struct

task_struct-PCB 的一种

在 Linux 中描述进程的结构体叫做 task_struct 。

 

task_struct 是 Linux 内核的一种数据结构，它会被装载到 RAM( 内存 ) 里并且包含着 进程的信息 。

task_ struct 内容分类

标示符(pid) : 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。

状态 : 任务状态，退出代码，退出信号等。

优先级 : 相对于其他进程的优先级。

程序计数器 : 程序中即将被执行的下一条指令的地址。

内存指针 : 包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针

上下文数据 : 进程执行时处理器的寄存器中的数据 [ 休学例子，要加图 CPU ，寄存器 ] 。

I／O状态信息 : 包括显示的 I/O 请求 , 分配给进程的 I ／ O 设备和被进程使用的文件列表。

记账信息 : 可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。

其他信息

进程动态运行：只要我们的进程task_struct，将来在不同的队列中，进程就可以访问不同的资源

进程的调度运行，本质就算让进程控制块task_struct 进行排队！ 

         3 . 组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以 task_struct 链表的形式 存在内核里。 对进程的管理，就变成了对链表的增删查改！

         4 . 查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

如：要获取 PID 为 1 的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

 

大多数进程信息同样可以使用 top 和 ps 这些用户级工具来获取

         5 .通过系统调用获取进程标示符

进程 id （ PID ）

 

父进程 id （ PPID ）

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

int main()

{

        printf("pid: %d\n", getpid());

        printf("ppid: %d\n", getppid());

        return 0;

}

         6 .通过系统调用创建进程-fork

fork是一个函数，他是操作系统提供的

运行 man fork 认识 fork

 

fork 有两个返回值

 

父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

int main()

{

        int ret = fork();

        printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);

        sleep(1);

        return 0;

}

fork 之后通常要用 if 进行分流

 #include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

int main()

{

        int ret = fork();

        if(ret < 0)

        {

                perror("fork");

                return 1;

        }

        else if(ret == 0)

        {

        //child

                printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);

        }

        else

        {

        //father

                printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);

        }

        sleep(1);

        return 0;

}

进程每次启动，对应的pid都不一样是正常的，每次都会由操作系统分配一个pid

fork之后，父子代码共享，创建一个进程，本质是系统中多一个进程，多一个进程就是多一个：

1. 内核task_struct 

2. 有自己的代码和数据（父进程的代码和数据从磁盘中加载而来，子进程的代码和数据默认情况继承父进程的代码和数据） 

为什么要创建子进程？ 

我们创建子进程目的是想让子进程执行和父进程不一样的代码

 进程具有独立性，父子进程也是两个不同的进程，也应该具有独立性，原则上数据要分开。因此，子进程的数据是只读的。 

fork是一个函数，为什么能返回两次（父子进程）

当fork执行快要结束（return之前）创建子进程的核心代码已经完成，就是子进程已经创建成功，这个时候return 语句也是代码同样的也被继承，父子进程各自返回自己的函数；

          7 . 进程运行

启动：

a.  ./xxx，本质就算让系统创建进程并运行——我们自己写的代码形成的可执行==系统命令==可执行文件。在linux中运行的大部分执行操作，本质都是运行进程！

b.  每一个进程都要有自己的唯一标识符，叫做进程pid （unsigned int）

c.  一个进程想知道自己的pid，可以通过系统调用getpid()

d.  ctrl就是在用户层面终止进程，kill -9 pid  可以直接杀死进程

e.  进程每次启动的时候，会记录自己当前在哪个路径下启动，在运行过程中做的操作也会默认对应这个路径

四、进程状态

         1 .Linux内核源代码

R运行状态（running） : 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。

S睡眠状态（sleeping) : 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠

（ interruptible sleep ））比如scanf函数。

   

D磁盘休眠状态（Disk sleep） 有时候也叫不可中断睡眠状态（ uninterruptible sleep ），在这个状态的进程通常会等待IO 的结束 。不可被杀，深度睡眠，不可中断睡眠

   

T停止状态（stopped） ： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（ T ）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。

t 停止状态 ：当进程遇见断点时

   

X死亡状态（dead） ：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。

         2 .进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

         3 . Z(zombie)-僵尸进程

僵死状态（ Zombies ）是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程（使用 wait() 系统调用）没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死 ( 尸 ) 进程

没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死 ( 尸 ) 进程

僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。

 

所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入 Z 状态

僵尸进程危害

进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就 一直处于Z状态

  

维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在 task_struct(PCB) 中，换句话说， Z状态一直不退出，PCB一直都要维护  （内存泄漏）

  

那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C 中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！

内存泄漏 

         4 . 孤儿进程 

父进程如果提前退出 ，那么子进程后退出，进入 Z 之后，那该如何处理呢？

父进程先退出 ，子进程就称之为 “ 孤儿进程 ”

 

孤儿进程被 1号init进程领养（bash） ，为保证子进程正常被回收，避免内存泄漏，所以要有 init 进程回收。 

         5 .进程运行态（R）

如图：每一个进程都有自己task_struct ,里面储存这进程对应的信息，另外他还可能存储着下一个pcb的地址，方便作为链表样式来管理；

我们在运行进程的时候，每一个PCB会被放在一个运行队列当中，在队列当中的状态就算是R状态。

当然一个进程时间太长的话也不会一直占用cpu，他们可能会按照时间片的方式进行切换，这样在一个时间段内同时得以推进的代码，就叫做并发

在任何时刻，都同时有多个进程在真的运行，我们叫做并行

         6 .进程阻塞（S，D）

当我们在使用scanf之类的函数的时候，他运行的时候，会等待键盘资源是否就绪，键盘上面有没有被用户按下的按键，若有，按键数据交给进程。

阻塞和运行的状态变化，往往伴随着pcb被连入不同的队列中。入队列的不是进程的什么代码而是进程的pcb

这里我们要知道，不是只有cpu才有运行队列，各种设备也有自己的wait_queue .当pcb需要各种设备的数据的时候，他会被排进该设备的等待队列，等待拿到数据，拿到之后，pcb重新排入运行队列，这里就会有S~R，S~D相关的状态切换。

         7 .进程挂起

进程挂起是用时间（效率）换空间的做法：

当我们内存不够用的时候，os会将一部分数据（存储在磁盘上面（唤出），以便有更多可用的内存空间，当需要使用该数据的时候，再将该数据加载回内存中（唤入）。这样的处理方法，可能会经常使用I/O，效率大大降低。

         8 .进程切换

进程会根据时间片进行切换，在切换的过程中，最重要的一件事情是：上下文数据的保护和恢复

cpu内的寄存器本身是硬件，具有数据存储的能力，cpu的寄存器硬件只有一套（很多个），cpu内部的数据，可以有多套，有几个进程，就有几套和该进程对应的上下文数据。但是：寄存器！= 寄存器内容

进程上下文：cpu内部的所有的寄存器中的临时数据。

五、进程优先级

         1 .基本概念

cpu 资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（ priority ）。

优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的 linux 很有用，可以改善系统性能。

还可以把进程运行到指定的CPU 上，这样一来，把不重要的进程安排到某个 CPU ，可以大大改善系统整体性能。

         2 .查看系统进程

ps –l 命令

注意到其中的几个重要信息，有下：

UID : 代表执行者的身份

PID : 代表这个进程的代号

PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号

PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行

NI ：代表这个进程的 nice 值

         3 . PRI and NI

PRI 也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被 CPU 执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高 

  

那 NI： 就是我们所要说的 nice 值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值

PRI 值越小越快被执行，那么加入 nice 值后，将会使得 PRI 变为： PRI(new)=PRI(old)+nice

这样，当 nice 值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行

  

所以，调整进程优先级，在 Linux 下，就是调整进程 nice 值

  

nice 其取值范围是 -20至19 ，一共 40 个级别。

         4 . PRI vs NI

需要强调一点的是，进程的 nice 值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程 nice 值会影响到进程的优先级变化。

 

可以理解 nice 值是进程优先级的修正数据

         5 .查看进程优先级的命令

用 top 命令更改已存在进程的 nice ：

top

 

进入 top 后按 “r”–> 输入进程 PID–> 输入 nice 值

         6 .其他概念

竞争性 : 系统进程数目众多，而 CPU 资源只有少量，甚至 1 个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级

 

独立性 : 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰

  

并行 : 多个进程在 多个CPU 下分别，同时进行运行，这称之为并行

 

并发 : 多个进程在 一个CPU 下采用 进程切换 的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

六、环境变量

命令行参数：

为什么要有命令行参数？

本质：命令行参数本质是交给我们程序的不同的选型，用来定制不同的程序功能。命令行中会携带很多的选项

例如：

   #include<stdio.h>#include<stdlib.h>int main(int argc,char *argv[]){int j=0;for(j=0;argv[j];j++)printf("%s\n",argv[j]);int i=0;for(i=0;i<argc;i++){if(strcmp(argv[i],"-a")==0)printf("-aaaaaa\n");else if(strcmp(argv[i],"-b")==0)                                    printf("-bbbbbb\n");elseprintf("-cccccccc\n");}return 0;}

 程序里面的参数，默认是输入给父进程bash的

         1 .基本概念

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

 

如：我们在编写 C/C++ 代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。

 

环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性

Linux中，存在一些全局的设置，告诉命令行解释器，应该去哪些路径下去寻址可执行程序

系统中很多的配置，在我们登陆Linux系统的时候，已经被加载到了bash进程中（内存）。所以，默认我们查到的环境变量是内存级的（重启后会恢复到配置文件中的环境变量）

我像执行我们的命令 ，和系统指令一样。

最开始环境变量不是在内存中，而是在系统的对应的配置文件中，我们可以通过以下方式去更改：

vim .vash_profile

vim .bashrc

vim /etc/bashrc

bash进程启动的时候，默认会给我子进程形成两张表：

argv[]命令行参数表：用户输入命令行，动态获取，可以更新

env[]环境变量表：来自于os的配置文件，bash通过各种方式交给子进程 

         2 .常见环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径

HOME : 指定用户的主工作目录 ( 即用户登陆到 Linux 系统中时 , 默认的目录 )

SHELL : 当前 Shell, 它的值通常是 /bin/bash 。

         3 . 查看环境变量方法

echo $NAME //NAME: 你的环境变量名称

例如：

         4 . 和环境变量相关的命令

 没有export的变量是本地变量：

本地变量只在本bash内部有效，无法被子进程继承下去，导成环境变量，此时才能被获取 

内建命令

80%的命令都是由bash创建子进程执行，而export和echo是内建命令，不会创建子进程他们由bash亲自执行。 

         5 .环境变量的组织方式

每个程序 都会收到一张环境表，环境表是一个 字符指针数组 ，每个指针指向一个 以’\0’结尾的环境字符串

         6 .通过代码如何获取环境变量

方法汇总有：

命令行第三个参数

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

通过第三方变量 environ 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;
}

libc中定义的全局变量environ指向环境变量表,environ没有包含在任何头文件中,所以在使用时 要用extern声明。

执行结果：

         7 .通过系统调用获取或设置环境变量

获取环境变量：getenv 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{printf("%s\n", getenv("PATH"));return 0;
}

执行结果：

         8 .环境变量通常是具有全局属性的

环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main()

{

        char * env = getenv("MYENV");

        if(env)

        {

                printf("%s\n", env);

        }

        return 0;

}

直接查看，发现没有结果，说明该环境变量根本不存在

导出环境变量

export MYENV="hello world"

再次运行程序，发现结果有了！说明：环境变量是可以被子进程继承下去的！

父进程的数据默认能被子进程看到并访问

命令行中启动的程序，都会变成进程，实际上都是bash的子进程