环境变量与本地变量（Linux）

引言

在当今的计算机技术领域，Linux操作系统以其稳定性和灵活性而广受欢迎。它不仅是服务器和开发者的首选平台，也是探索计算机科学和系统编程的宝库。在这个强大的操作系统中，环境变量与本地变量扮演着至关重要的角色，它们是管理配置、传递数据和影响程序行为的关键机制。本文将引导我们深入探讨Linux中的这两种变量，理解它们的定义、用途、区别以及如何在日常工作和脚本编程中有效地利用它们。通过掌握环境变量与本地变量的知识，我们将能够更加高效地与Linux系统交互，优化我们的工作流程，并解锁系统管理的更多可能性。

并行与并发

在学习环境变量之前，我们需要有一些提前储备的知识，本文将通过并行与并发的介绍导入这些知识

并行：多个进程在多个CPU下同时运行，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，在一个时间段内，让多个进程得以推进，称之为并发。

并发是何如切换进程的呢？

                                                                                       

         

在task_struct结构中，存在时间片的概念，通过时间片与基于时间片的轮转调度算法，实现进程的切换。

寄存器

会什么函数的返回值会在函数外部拿到呢？

我们都知道，函数的返回值是一个在函数栈内的数据，当栈帧销毁，返回值便被销毁。因此需要一个不被销毁的中介去完成返回。这个中介就是寄存器。cpu内部存在大量的寄存器。

系统如何得知我们执行到那一行代码了呢？

cpu内部存在一个称为eip的寄存器。

寄存器主要分为三种种类：

       通用寄存器：eax ebx ecx edx

       栈帧相关的寄存器：esp ebp eip

       状态相关的寄存器：status

寄存器扮演的主要功能就是：提高效率，进程高频数据放入寄存器中。cpu内的寄存器存储的是进程相关的数据（如eip）。

进程的上下文

cpu寄存器是内存级别的存储，保存的是进程的临时数据，称作进程的上下文。

进程的上下文（Process Context）是操作系统中的一个概念，它指的是在操作系统中，一个进程在执行时所需的所有信息。

这些信息包括进程的状态、程序计数器、寄存器、堆栈、内存分配、打开的文件描述符、环境变量、信号处理程序等。进程上下文是操作系统管理进程执行和切换的关键部分。

以下是进程上下文的主要组成部分和特点：

上下文切换的性能直接影响到系统的响应速度和吞吐量。

进程的切换执行：时间片到了---保存上下文---去另一个队列排队--恢复上下文---重新执行该进程

1. 用户空间上下文：

   • 程序计数器：指示下一条要执行的指令。
   • 寄存器：包括通用寄存器、状态寄存器、指令寄存器等，它们保存了进程执行时的临时数据。
   • 堆栈：包含了局部变量、函数调用的返回地址、参数等信息。
   • 用户空间的内存：包括进程的代码段、数据段、堆和栈。

2. 内核空间上下文：

   • 进程控制块（PCB）：也称为任务结构，包含了进程的ID、状态、优先级、父进程ID、子进程列表、资源使用情况等。
   • 文件描述符表：记录了进程打开的所有文件描述符及其对应的文件表项。
   • 虚拟内存表：包括页表、段表等，用于虚拟内存到物理内存的映射。
   • 信号处理程序：定义了进程如何响应接收到的信号。

3. 上下文切换：

   • 当操作系统进行进程调度时，它会执行上下文切换，即保存当前运行进程的上下文，并加载下一个将要运行进程的上下文。
   • 上下文切换包括保存当前进程的状态和恢复另一个进程的状态，这是一个相对昂贵的操作，因为它涉及到CPU寄存器的保存和恢复，以及内存管理单元（MMU）的更新。

4. 上下文的状态：

   • 运行态：进程正在CPU上执行。
   • 就绪态：进程已准备好执行，但由于CPU被其他进程占用而等待。
   • 阻塞态：进程因等待某些事件（如I/O操作完成）而暂时停止执行。

环境变量

环境变量这部分我们将通过两部分进行介绍1.见见猪跑（简单认识一下） 2.尝尝猪肉（了解具体信息）

见见猪跑

1.环境变量PATH

为什么ls等系统指令可以直接执行，但是我们的可执行程序，需要指明执行的目录呢？

我们都知道ls这种指令是/usr/bin下的可执行程序，那bash为什么知道默认去这个目录找指令呢？

这其实与PATH这个环境变量有关，PATH这个环境变量记录了指令目录信息。

发现PATH环境变是用冒号作为分隔符，定义出来的很多路径。

因此只有当你的程序在这些路径下，bash才能找到这个程序，否则就需要指定目录。

当执行ls时，会在这些被冒号分割的路径下一个一个的去查找。

将自己的指令添加到环境变量

不可以有空格            不可以直接写=./（这种是覆盖写入）     不要用相对路径./（路径改变将失效 ）   

这样t1在PATH中存在之后，就可以直接执行t1了。which用来PATH中指令的路径。

当然，这种修改是内存级的（本地变量的配置也是内存级别的），当重新进入shell中，PATH将恢复初始水平。

PATH等环境变量是shell启动时配置的。

2.环境变量HOME

 登陆时，用你的用户名去配置$HOME，这就是你的家目录

3.SHELL

bash命令行就是当前的shell环境。

4.env指令（environment）：查看环境变量

env展现的这一大坨就是shell中所有的环境变量。涵盖了一些基础的信息。

已知shell可以记忆历史指令

history指令可以记忆最近的1000条指令，这个1000就是由HISTSIZE控制的。

终端信息，这是默认的终端设备文件

ls的配色方案

USER：记录用户 

PWD：会记录当前的路径

OLDPWD：对应cd - 

尝尝猪肉

通过上述的介绍，可以了解到：环境变量其实是一个KV模型，键值对应着特殊的val

getenv函数

除了通过env可以得到对应的环境变量，getenv这个函数也可以得到环境变量。

头文件在stdlib.h中

由于环境变量是一个KV模型，所以给定K值，可以得到对应的V。

传入环境变量的名称（字符串），可以得到对应的val（字符串）

需要注意的是，字符和指针（字符串在这个地方被理解为首字符的地址）不能直接比较（string重载的operator==，只能用来比较整个string对象！！！string本身封装过的一个字符串，存储的是char，而不是字符串）

 因此代码应该修改为strcmp

c_str可以得到C++string的C接口对象。

现在我们就可以对环境变量完成KV类型的调用。

命令行参数与main函数参数 

其实main函数是可以带参数的

1.双参数

参数有两个时，参数是一个整型和一个指针数组，argc（c就是count），argv内部有多少元素由argc决定。

linux需要经常用这两个东西，这些东西是用来接收命令行指令中的信息的。

可以看到命令行指令可以携带参数

我们输入的 ./t1 -a -b -c 其实会以空格为分隔符，被解析为一个个字符串

“./t1”

“ -a ”

“-b ”   
“-c”

 这叫做指令的解析。

有几个字符串，就初始化argc为几。

如：ls  -l   ls -a

这种指针数组被称为向量表

当然main函数还可以继续喂参数

env这个指针数组存储的就是环境变量。

env[]类似于argv[]，argv[i]当执行结束时，下一个元素被设置为NULL。

打印下看看内部是什么东西

发现打印的环境中的环境变量 。因此我们可以通过env[]直接获得环境变量。

 

环境变量的全局属性

通过新增环境变量去继承

在命令行直接定义的变量成为本地变量

转变为环境变量export导出

发现环境变量被继承。 

取消环境变量：unset

unset直接跟上环境变量即可，不需要$

unset 命令可以用来取消环境变量和本地变量。

本地变量 

不通过export导入的变量就是本地变量（内存级别）

打印本地变量同样需要$符号，否则会被认为是字符串。

查询：set

set可以用来查询本地变量+环境变量。本地变量不会被子进程继承。bash的环境变量只会在bash内部

内建指令

明明本地变量不能被继承，为什么echo作为bash的子进程，可以打印本地变量

其实需要指明一个点：并不是所有指令都是bash的子进程。这种指令称作内建指令。

内建指令是bash本身的一个功能，不需要通过子进程实现。

cd就是一个典型的内建指令

当你在shell中输入cd /some/directory时，shell不会去文件系统中查找名为cd的可执行文件，而是直接执行内建的cd逻辑，将当前工作目录更改为指定的路径。

cd的执行不会导致shell进程的创建或终止，因为它是shell自身的一部分。

由于cd是内建的，它可以直接访问和修改shell的内部变量，如PWD（当前工作目录的路径）。

cd可以直接访问shell的本地变量（如果变量包含一个有效的路径），只要正确地引用变量值即可。

例如：

        MYDIR="/home/user/documents"

要使用cd命令改变到这个变量指定的目录，你可以这样做：

        cd "$MYDIR"

在这里，双引号"是用来确保变量$MYDIR的值被正确地作为单个字符串传递给cd命令。如果路径中包含空格或者特殊字符，使用双引号是特别重要的，因为它可以防止这些字符被错误地解释为多个参数或者命令。

如果不使用双引号，并且路径中包含空格，那么cd命令可能会无法正确解析路径，从而导致错误。例如：

        MYDIR="/home/user/my documents"

cd $MYDIR  # 这可能会导致错误，因为路径被分解为多个参数（#是shell的注释符号）

在上面的例子中，cd会尝试改变到名为/home/user/my的目录，然后尝试执行名为documents的命令，这显然不是我们想要的结果。

/*

题外话：

Xshell会提供一种shell环境，所有的shell环境都是将#作为注释符号

shell的规范是统一的吗？

Shell的规范并不是完全统一的，因为存在多种不同的shell，每种shell都有自己的特点和规范。虽然许多shell在基本语法和功能上有所共通，但它们在特定功能、扩展、内置命令以及脚本编程能力等方面存在差异。

以下是一些常见的shell及其特点：

Bash (Bourne Again SHell):

最广泛使用的shell之一，是许多Linux发行版的默认shell。

它遵循POSIX标准，但也包含了许多扩展。

Bash脚本通常以 #!/bin/bash 开头。

SH (Bourne SHell):

最初的Unix shell，由Steve Bourne编写。

它是许多其他shell的基础。

SH脚本通常以 #!/bin/sh 开头。

CSH (C SHell):

受C语言影响较深，语法类似于C。

它不是Bourne shell家族的一部分，因此其脚本语法与Bash和SH不同。

CSH脚本通常以 #!/bin/csh 开头。

TCSH:

是CSH的一个扩展版本，提供了一些额外的功能和改进。

TCSH脚本通常以 #!/bin/tcsh 开头。

ZSH (Z SHell):

提供了强大的命令行编辑、拼写纠正、文件名补全等功能。

它具有高度的可配置性。

ZSH脚本通常以 #!/bin/zsh 开头。

尽管不同shell之间存在差异，POSIX标准定义了shell应该遵循的一组基本规范，以确保在符合POSIX的系统中，基本的shell脚本可以在不同的shell上运行。POSIX标准旨在提供跨平台的兼容性，因此大多数shell都遵循POSIX的基本规则，包括使用 # 作为注释符号、基本的控制结构（如if、for、while等）。

然而，超出POSIX标准的特性，如Bash中的某些数组操作或高级参数扩展，可能在其他shell中不可用或不兼容。因此，编写跨shell兼容的脚本时，通常需要限制使用POSIX标准中定义的功能。

*/

cd的模拟

如果是这是一个bash的话，那么cd并不会创建子进程（fork），而是直接更改地址

# 指令被拆解的字符串的地址会存放在argv这个指针数组中

chdir接口

chdir可以将程序进程的地址更改到指定的地址

cd模拟实现 

如果argv[0]解析到字符串为cd时，将不创建子进程，直接将进程的地址修改为cd后面带着的地址：argv[1]

argv[i]就是我们输入的指令解析的字符串

 环境变量的其他获取方式：C语言提供的第三方变量

environ是一个二级指针，指向环境变量表，这是C语言提供的第三方变量。

可以实现不给main函数传参，就能使用环境变量。

（数组名是数组首元素（一级指针）的地址（二级指针），所以二级指针解引用就可以得到一级指针：即一个字符串的首字符地址）

有字符串首字符的地址，就可以打印一个字符串

题外话

extern的作用

在C语言中，`extern`关键字主要有以下作用：
1. **跨文件变量和函数引用**：`extern`关键字用于在一个文件中引用另一个文件中定义的变量或函数。这允许在不同文件之间共享全局变量和函数。例如，如果在文件A中定义了一个变量或函数，在文件B中可以通过声明`extern`来引用这个变量或函数。
2. **变量和函数声明**：使用`extern`关键字可以声明一个变量或函数，表明其定义在其他地方。这通常用于在函数外部声明变量，使得它们可以在不同的文件中被访问。需要注意的是，`extern`声明并不分配内存，它只是告诉编译器该变量或函数在其他地方定义。
3. **避免重复定义**：在多文件编程中，如果不希望在其他文件中引用某个文件中的变量，可以在该变量前加上`static`关键字。而使用`extern`则意味着变量可以被其他文件引用，从而避免了重复定义的问题。
以下是一些具体的用法示例：
- **引用同一文件中的变量**：如果想在函数中使用在后面定义的变量，可以在函数前使用`extern`来声明这个变量。  
- **引用不同文件中的变量或函数**：在文件A中定义变量或函数，在文件B中使用`extern`来声明这些变量或函数，然后就可以在文件B中引用它们。
- **全局和局部变量**：全局变量（外部变量）默认具有`extern`属性，意味着它们可以被其他文件中的函数访问。局部变量则只在定义它们的函数内部有效。
总之，`extern`关键字在C语言中主要用于声明在不同文件中定义的全局变量和函数，使得这些变量和函数可以在多个文件中被共享和访问。