【操作系统原理】进程优先级与命令行参数、环境变量详解

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亲爱的小伙伴们，大家好！这篇文章我们把握 Linux 中三块“高频且基础”的知识：
进程优先级、命令行参数（argc/argv）、环境变量。
它们决定了一个程序“如何被启动、如何被调度、在什么环境里运行”。
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1. 进程优先级（Priority）

1.1 本质与作用

• 在 Linux 中，每个进程对应一个 task_struct，其中保存调度相关字段（优先级、时间片等）。
• 优先级越高，越容易获得 CPU 时间片；优先级越低，等待时间更长。

1.2 为什么要有优先级

• CPU/内存/IO 等资源有限；任务数量多且类型不同（前台交互、后台服务、内核线程等）。
• 通过优先级实现 公平 + 效率 的折中：关键任务优先，低优先级任务让步。

1.3 术语对照

名称	说明
NI（nice 值）	用户可调节的“偏移量”
PRI（动态优先级）	调度器综合计算出的优先级
记忆口诀	nice 越小越“凶”，优先级越高

• nice 值范围：[-20, +19]
  • -20 → 最高优先级
  • +19 → 最低优先级
• 普通用户：只能调低自身优先级（增大 nice 值）
• root：可以把进程优先级调高（减小 nice 值）

1.4 常用命令

ps -al                 # 查看 PRI/NI 等字段
top                    # 实时查看；在 top 界面按 r 修改某 PID 的 nice
renice -n 5 PID        # 修改已存在进程的 nice 值
sudo nice -n -5 ./a.out  # 更高优先级启动新程序（需 root）

1.5 调度循环（示意）

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2. 命令行参数（argc / argv）

2.1 main 的入口

int main(int argc, char *argv[])

• argc：参数个数
• argv[]：参数数组（argv[0] 通常是程序名）

2.2 参数从哪里来（调用链）

1. 用户在 bash 输入命令；
2. bash 解析字符串并构建 argv[]；
3. fork() 创建子进程；
4. 子进程调用 execve(path, argv, envp)；
5. 内核加载可执行文件，新程序从 main(argc, argv, envp) 开始执行。

2.3 演示代码

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

示例

$ ./a.out linux kernel study
argv[0] = ./a.out
argv[1] = linux
argv[2] = kernel
argv[3] = study

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3. 环境变量（Environment Variables）

3.1 概念速记

• 环境变量是进程的运行时配置表（键值对）。
• 每个进程都有自己的副本，默认从父进程继承。

3.2 常见环境变量

变量名	说明
PATH	查找可执行文件的目录列表
HOME	用户主目录
PWD	当前工作目录
SHELL	当前使用的 Shell 程序
HISTSIZE	bash 历史条数

3.3 PATH 的搜索与修改

• 执行命令时，bash 会按 PATH 中的目录顺序搜索可执行文件。
• 临时修改（仅当前终端有效）：

export PATH="$PATH:/usr/local/mybin"

• 永久生效（下次终端也有效）：把上面这行写入 ~/.bashrc（或登录 Shell 的 ~/.bash_profile），然后：

source ~/.bashrc

3.4 继承与写时拷贝（COW）

• fork() 后，子进程继承父进程的环境变量副本（COW：按需复制）。
• execve() 执行新程序时，默认沿用当前环境（也可以传入自定义 envp）。

graph LR
A[父进程 bash] -->|fork| B[子进程：共享只读页]
B -->|写环境时才复制| C[按需复制]
B -->|execve 继承/替换| D[新程序：envp 可自定义]

3.5 C 接口常用法

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {printf("HOME = %s\\n", getenv("HOME"));setenv("TEST_VAR", "hello", 1); // 覆盖printf("TEST_VAR = %s\\n", getenv("TEST_VAR"));return 0;
}

一次性打印全部环境变量

#include <stdio.h>
extern char **environ;
int main() {for (int i = 0; environ[i]; ++i) puts(environ[i]);return 0;
}

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4. 内建命令 vs 外部命令

4.1 区别一览

类型	典型示例	是否创建子进程	为什么
内建命令	cd、export、alias、echo（也可能有外部版）	否	在 bash 进程内直接执行，能修改当前 Shell 状态（例如 cd 改变目录）
外部命令	/usr/bin/echo、/usr/bin/pwd	是	通过 fork + exec 启动新程序

关键点：如果 cd 作为外部程序运行，就无法改变当前终端的工作目录，所以它必须是内建。

4.2 如何辨别

type -a cd
type -a echo
type -a pwd

• 显示 is a shell builtin → 内建；
• 显示路径如 /usr/bin/echo → 外部程序（有些命令内建与外部版本并存）。

4.3 简化执行流程

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5. 实验清单（可直接跑）

5.1 查看进程优先级

ps -al | head
top                  # 在 top 界面按 r 可修改某个进程的 nice

5.2 PATH 与永久生效

echo "$PATH"
export PATH="$PATH:$HOME/bin"   # 临时
echo 'export PATH="$PATH:$HOME/bin"' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc                # 让当前会话立即生效

5.3 区分内建与外部

type -a echo
type -a pwd
type -a cd

5.4 程序中打印 argv 与 environ

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

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6. 常见疑问速记

• Q：为什么我不显式给子进程传环境变量，子进程也有？
  A：fork 会继承父进程的环境（COW），execvp 默认沿用当前进程的环境，所以能看到与 bash 相同的变量。

• Q：修改 PATH 后，新开终端又恢复？
  A：你只在当前 Shell 做了临时修改。写入 ~/.bashrc（或登录 Shell 的 ~/.bash_profile）并 source 才会对新会话生效。

• Q：为什么 echo/pwd 既是内建又存在 /usr/bin/echo？
  A：为了兼容不同 Shell、脚本或最小化环境。type -a echo 可以查看优先级顺序；通常优先使用内建版本。

• Q：cd 参数是否合法怎么判断？
  A：在 C 程序中检查 chdir(path) 返回值是否为 -1；在 Shell 里可用 [[ -d "$1" ]] 判断目录是否存在。

• Q：普通用户能把进程优先级调高吗？
  A：不能。普通用户只能降低自身优先级（增大 nice 值）；提升优先级需要 root。

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7. 小结

• 优先级（PRI + nice） 决定进程拿到 CPU 的速度与频率；
• 命令行参数（argc/argv） 由 bash 解析并通过 execve 传给 main；
• 环境变量 通过 fork 继承，execve 继续使用或替换；
• 内建命令 在 bash 内执行以便修改当前会话状态，外部命令则走 fork+exec。

把这四块打通，你就掌握了“一个命令如何被解析、加载与调度”的全流程。欢迎在评论区补充你的实验结果或遇到的问题！