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Linux 进程管理核心机制

一、命令行参数与环境变量

1.1 命令行参数

​ 本质：用户传递给程序的选项，用于定制程序功能，命令本质也是可执行程序，命令中携带的选项就是命令行参数

​ 传递者：由父进程（通常是 bash 命令行解释器）传递

​ 作用：通过不同参数组合实现程序功能的动态配置

1.2 环境变量

在linux系统中，存在一些全局的设置，用某些变量保存，就是环境变量。

举例：PATH环境变量，告诉命令行解释器（bash），应该去哪些路径下去寻找可执行程序

他们是如何加载呢？

Linux系统中存在很多的配置，在登录LInux系统的时候，已经被加载到bash进程中（加载到内存），如果不小心删了，可以重新登录来恢复（从磁盘中重新加载），因为这个是内存级别的环境变量。最开始的环境变量不是在内存中，而是在磁盘文件中。

相关操作

env：查看所有环境变量

echo &XXX ;打印环境变量内容

export XXXXXX = xxxxx；导入环境变量，即自己定义环境变量,但是实在内存里（bash进程）中修改，并非配置文件，关机后消失

unset name；取消环境变量

环境变量其他例子：

HOME：保存家目录的环境变量

PWD：当前路径，该环境变量是变化的

SHELL：命令行解释器保存路径

HISTSIZE：记录命令的默认数量，

HOSTNAME：主机名

本地变量

没有导入到环境变量里，但是在bash中实际存在，叫做本地变量

本地变量无法被子进程继承

1.5 子进程访问机制

直接访问

父进程的数据，默认可以被子进程看到并且访问

Linux系统中的环境变量是保存在配置文件里的，在磁盘上，机器开机的时候，会启动bash进程，这之后会将包含了环境变量的配置文件加载到bash进程中，我们自己运行程序或者指令程序，本质都是bash进程的子进程，因此都可以看到并且访问环境变量

传参访问

main函数支持传参

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

• argc：命令行参数个数

• argv[]：命令行参数指针数组

• env[]：环境变量指针数组（以 NULL 结尾）

1.6 Bash 如何存储环境变量

存储方式：

char *env[];

即一个指针数组，数组中每个元素指向一个字符串，这个字符串就是刚开始加载进来的环境变量。该数组必须以空指针NULL结尾

char *env[] = {"PATH=/usr/bin","HOME=/home/user",/* ... */ NULL  // 结束标志
};

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1.7总结

bash进程启动时，默认会生成两张表。

1.argv[]，命令行参数表。这张表从命令行获取，即用户输入

2.env[], 环境变量表。这张表从os的配置文件获得

这两张表bash通过各种方式交给子进程

二、进程地址空间

2.1 概念

每个进程都有自己独立的地址空间

地址空间里所用地址都是虚拟地址，由页表进行地址映射，从而找到物理地址

地址空间本质是一个内核数据结构对象

地址空间本质是内核的一个struct结构体！内部很多的属性都是表示start，end的范围

源码中的struct mm_struct就是地址空间的结构体。其中start_code就是代码段的开始，end_code就是代码段的结束，类似的还有数据段开始和结束start_data,end_data等。

2.2虚拟地址

虚拟地址指的是程序地址空间中的地址，相对应的也有物理地址，指的是在内存中实际存放的地址，他们之间由页表进行映射，在访问某一数据时，程序只知道其虚拟地址，操作系统会帮他找到物理地址。创建子进程时，子进程会继承父进程的代码和数据，也包括页表，两个进程刚开始的代码和数据都在同一片空间。

我们看一段代码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{int val = 10;pid_t id = fork();if(id == 0){int cnt = 0;while(1){cnt++;if(cnt == 5){val = 55;printf("val change-> 55;\n");}printf("I am child process, id = %d , pid = %d ,&val = %p,val = %d\n",getpid(),getppid(),&val,val);sleep(1);}}else{while(1){printf("I am parent process, id = %d , pid = %d , &val = %p,val = %d\n",getpid(),getppid(),&val,val);sleep(1);}}return 0;
}

对于图片里的结果，父进程和子进程对于一个全局变量val，因为子进程继承了父进程的页表，所以对于某一数据来说，他们的虚拟地址和物理地址都相同。

如果是读取数据，会读取同一片物理空间的数据，不会进行父子进程数据分离。

如果要写入数据，为了保持进程运行独立性，操作系统会为子进程中要修改的数据重新开辟物理空间，并且修改子进程的页表，让修改的数据与父进程的数据不在同一物理空间，虚拟地址相同，这种特点叫做写时拷贝。

对于代码这一类的只读数据，他们不会被修改，因此共享一块物理空间，不发生写时拷贝，对于要修改的数据再去开空间，这样做即节省空间，又不破坏进程独立性原则。

如果对于父进程的整块地址空间进行拷贝，即浪费时间又浪费空间，写时拷贝是一种按需申请。

2.3 地址空间的优点

1.将无序变成有序，让进程以统一的视角看待物理内存以及自己运行的各个区域

2.进程管理模块和内存管理模块解耦

3.拦截非法请求，对物理内存进行保护

2.4 硬件协同机制

cpu内有相应的寄存器和硬件，来保证进程在访问内存时能快速的将虚拟地址转为物理地址，其中有CR3(存储进程页表指针的寄存器)和MMU(地址管理单元)，他们两个配合起来就可以快速进行地址转换。

页表中除了虚拟地址和物理地址的映射关系之外，还存在其他字段，比如是否在内存中的标识位，以及该地址的权限（rwx）。

在父子进程运行中，子进程继承父进程的页表时，操作系统会将可能被修改的数据的权限设为r，在进程修改数据时因为没有w权限而识别到错误，然后进行进一步处理。

操作系统在访问内存时识别到错误：

1.是不是数据不在内存中 ，是的话发生缺页中断

2.是不是数据需要发生写时拷贝，是的话进行缺页访问

3.其他错误进行异常处理

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三、Linux 2.6 进程调度

3.1运行队列架构

在LInux操作系统中每一个cpu都有一个运行队列

queue中共有140个队列(task_struct * queue[140])，其中前100个我们不使用，只用后40个，对应40个优先级，优先级相同的进程在同一个子队列里。

进程优先级的值默认为80，用nice值修正，nice值的范围是[-20,19],因此进程优先级的范围就是[60,99]，加上40就可以映射到queue队列里下标[100,139]的范围。

位图索引机制

long bitmap[5];  // 160位位图（实际使用140位）

对于bitmap中前140位，若某一位为1，则改位置对应下标的运行队列不为空，即有进程。

位图操作：

1. 检查 bitmap[0] 是否为0 → 跳过前32子队列队列，每次检查32位，以此类推

2. 非零 bitmap[i] → 按位比较，找到对应子队列去执行

   这种遍历方式时间复杂度约为O(1)，也称作进程调度里的O(1)算法

双队列轮转机制

       struct proi_array_t{int nr_active;long bitmap[5];task_struct * queue[140];}struct proi_array_t array[2];//2个队列，一个活跃队列，一个过期队列 task_struct *active;    // 活跃队列（只出不进）,直接指向活跃队列的queuetask_struct *expired;   // 过期队列（只进不出）,直接指向过期队列的queue

1. 调度器从 active 指向的队列选取进程执行，使用O(1)算法
2. 新唤醒/新建进程加入 expired指向的队列
3. 当 active指向的队列空时：swap(active, expired)