命令行参数、环境变量、进程地址空间及 2.6 内核调度队列解读

news/2025/2/14 0:59:42/

目录

一、命令行参数与环境变量探秘

1.1 命令行参数的本质作用

1.2 环境变量实战指南

🌵关键环境变量解析

🌵测试PATH：

🌵测试HOME：

🌵环境变量的组织方式：

🌵环境变量操作命令速查表

1.3 解析Linux环境变量继承机制

二、程序地址空间深度解析

2.1 虚拟地址空间示意图

2.2 虚拟地址实验分析

2.3 进程地址空间

三、Linux2.6内核进程调度队列

3.1 O(1)调度器核心结构

3.2 活动队列

3.3 过期队列

3.4 active指针和expired指针

3.5 调度流程解析

一、命令行参数与环境变量探秘

1.1 命令行参数的本质作用

        命令行参数是在程序运行时传递给程序的选项，用于定制程序的功能。它们通过 main 函数的参数传递，通常包括 argc（参数数量）和 argv（参数数组）。例如，运行一个程序时，可以使用 ./program -a -b 传递参数 -a 和 -b，程序可以根据这些参数执行不同的操作。

        在Linux系统中，命令行参数是程序启动时接收外部配置的核心机制。通过以下代码示例可以看到参数传递的完整过程：

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

当执行./demo -a -b hello时输出：

设计原理：

  • 参数个数自动计算（argc）

  • 参数指针数组连续存储（argv）

  • 环境变量指针数组结尾以NULL标识

1.2 环境变量实战指南

🌵关键环境变量解析

        环境变量是操作系统用来存储和传递系统环境信息的一种机制，相当于全局变量，可供系统中的各个程序、进程在运行时访问和使用。常见的环境变量包括：

变量名功能说明示例值
PATH可执行文件搜索路径/usr/bin:/usr/local/bin
HOME用户主目录/home/user
SHELL默认shell程序路径/bin/bash

        环境变量可以通过 echo $NAME 查看，其中 NAME 是环境变量的名称。例如，echo $PATH 可以显示当前的命令搜索路径。

🌵测试PATH：

1. 创建 hello.c 文件

#include <stdio.h>int main()
{printf("hello world!\n");return 0;
}

2. 对比 ./hello 执行和直接 hello 执行

gcc hello.c -o hello

生成可执行文件 hello。

执行方式对比：

  • ./hello：直接运行当前目录下的可执行文件。

  • hello：尝试在 PATH 指定的路径中查找 hello 命令。

测试结果：

通常情况下，直接输入 hello 会报错，提示 command not found，而 ./hello 可以正常运行。

3. 为什么有些指令可以直接执行，不需要带路径，而我们的二进制程序需要带路径才能执行？

  • 系统命令路径已包含在 PATH 中：例如 ls、cd 等命令所在的路径（如 /bin、/usr/bin）默认包含在 PATH 环境变量中。

  • 当前目录不在 PATH 中：系统默认不会在当前目录查找可执行文件，除非 PATH 包含 .（当前目录）。

4. 将程序所在路径加入 PATH（export PATH=$PATH:程序所在路径）

5. 对比测试 

🌵测试HOME：

 1. 用 root 和普通用户分别执行 echo $HOME，对比差异

  • 切换到 root 用户：

对比结果：

  • 普通用户：HOME 通常指向 /home/username。

  • root 用户：HOME 通常指向 /root。

2. 执行 cd ~; pwd，对应 ~ 和 HOME 的关系 

  • 在普通用户下执行 cd ~ 并查看当前目录：

  •  在 root 用户下执行 cd ~ 并查看当前目录：

解释：

  • ~ 是一个快捷符号，表示当前用户的主目录，即 HOME 环境变量所指向的目录。

  • cd ~ 等价于 cd $HOME，都会将用户切换到主目录。

  • pwd 命令用于显示当前工作目录的完整路径。

3. 总结

  • HOME 环境变量：用于存储当前用户的主目录路径。

  • ~ 符号：表示当前用户的主目录，等价于 $HOME。

  • 普通用户与 root 用户的差异：

    • 普通用户的主目录通常位于 /home/username。

    • root 用户的主目录通常位于 /root。

🌵环境变量的组织方式：

        每个程序运行时都会收到一张环境表，它是一个字符指针数组，数组中的每个指针都指向一个以 \0 结尾的环境字符串。通过 extern char **environ 可以访问环境变量表。例如，以下代码可以打印所有环境变量：

#include <stdio.h>int main()
{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。

🌵环境变量操作命令速查表

命令功能说明示例
env显示所有环境变量env | grep PATH
export设置/显示环境变量export MYVAR="test"
unset删除环境变量unset MYVAR
printenv显示指定环境变量printenv LANG

1.3 解析Linux环境变量继承机制

环境变量通常是具有全局属性的，这意味着它们不仅对当前 shell 有效，还可以被子进程继承。

1. 环境变量的继承机制

        当在父进程中通过 export 导出一个环境变量时，该变量会被传递给所有后续的子进程。这是因为在 Linux 系统中，进程在创建子进程时会复制自身的环境变量表，从而使子进程能够访问父进程中导出的环境变量。 例如，以下代码演示了环境变量的继承：

// 子进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{char *env = getenv("MYENV");if (env){printf("%s\n", env); // 输出 "hello world"}return 0;
}

2. 普通变量与环境变量的区别 

普通变量（未导出的变量）仅在当前 shell 中有效，不会被子进程继承。例如：

// 子进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{char *env = getenv("MYENV");if (env){printf("%s\n", env); // 没有输出，因为 MYENV 未导出}return 0;
}

3. 导出和不导出环境变量的实验 

MYENV="helloworld"
./program

子进程无法访问 MYENV，因此 getenv("MYENV") 返回 NULL。 

export MYENV="helloworld"
./program

 子进程可以访问 MYENV，因此 getenv("MYENV") 返回 "helloworld"。

结论：

  • 导出环境变量：子进程可以继承。

  • 普通变量（未导出）：子进程无法继承。

4. 原因分析

  • 导出环境变量：export 将变量标记为环境变量，使其在父进程及其子进程中都可用。

  • 普通变量：仅在当前 shell 中有效，不会传递给子进程。

二、程序地址空间深度解析

2.1 虚拟地址空间示意图

2.2 虚拟地址实验分析

通过父子进程地址实验揭示虚拟内存机制：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int g_val = 0;
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 0;}else if(id == 0){ //childprintf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{ //parentprintf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}

输出：

我们发现，输出出来的变量值和地址是一模一样的，很好理解呀，因为子进程按照父进程为模版，父子并没有对变量进行进行任何修改。可是将代码稍加改动：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int g_val = 0;
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 0;}else if(id == 0){ //child,子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取g_val=100;printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{ //parentsleep(3);printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}

输出：

我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容却不一样！能得出如下结论:

  • 变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量。
  • 但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址。
  • 在Linux地址下，这种地址叫做 虚拟地址。
  • 我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理。

OS必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址 。

2.3 进程地址空间

        所以之前说‘程序的地址空间’是不准确的，准确的应该说成 “进程地址空间”，那该如何理解呢？看图：

地址转换流程：

虚拟地址 -> MMU -> 页表查询 -> 物理地址

        上面这张图从分页与虚拟地址空间概念入手，生动展示了同一变量在不同情境下虽地址看似相同（实为虚拟地址一致），但内容却迥异，关键在于它们被映射至了不同物理地址。通俗来讲，恰似一张“虚拟蓝图”，它让诸多人（进程）以为身处同一地图坐标（虚拟地址），但彼此所指实地点（物理地址）却大相径庭，皆因背后有一套转换体系（分页机制）在运筹帷幄，各司其职，巧妙分配。


三、Linux2.6内核进程调度队列

3.1 O(1)调度器核心结构

Linux2.6内核中进程队列的数据结构：

关键组件说明：

  1. 活动队列（active）：存放时间片未耗尽的进程。

  2. 过期队列（expired）：存放时间片已用完的进程。

  3. 优先级数组（140级）：0-99实时优先级（不关心），100-139普通优先级（nice值的取值范围，可与之对应）。

  4. 位图索引（bitmap[5]）：快速定位非空队列。

3.2 活动队列

1. 时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列nr_active: 总共有多少个运行状态的进程。

2. queue[140]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下标就是优先级！

3. 从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？

  • 从0下表开始遍历queue[140]
  • 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
  • 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
  • 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！

4. bitmap[5]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率！

3.3 过期队列

  • 过期队列和活动队列结构一模一样。
  • 过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程。
  • 当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算。

3.4 active指针和expired指针

  • active指针永远指向活动队列。
  • expired指针永远指向过期队列。
  • 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。
  • 没关系，在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程！

3.5 调度流程解析

  1. 从最高优先级（数组索引0）开始扫描

  2. 通过bitmap快速定位第一个非空队列

  3. 取出队列首进程分配CPU时间片

  4. 时间片耗尽后移入过期队列

  5. 活动队列空时交换active与expired指针

性能优势：

  • 时间复杂度恒定为O(1)

  • 优先级处理高效

  • 负载均衡优化

3.6 总结

        在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增加，我们称之为进程调度O(1)算法！


http://www.ppmy.cn/news/1571833.html

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