六、进程地址空间

6.1 进程地址空间的验证

通过如下代码可以验证进程地址空间与上图一致

#include <stdio.h>                                                                   
#include <stdlib.h>
int un_val;
int init_val = 100;
int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
     int i = 0;
     int count = 0;
     while(env[i] != NULL && count < 5){
         printf("环境变量地址: %p\n",env[i]);
         ++count;
     }
     for(int i = 0;i < argc; ++i){
         printf("命令行参数地址: %p\n",argv[i]);
     }
     char* p1 = (char*)malloc(10);
     char* p2 = (char*)malloc(10);
     char* p3 = (char*)malloc(10);
     printf("栈区地址: %p\n",&p3);
     printf("栈区地址: %p\n",&p2);
     printf("栈区地址: %p\n",&p1);
     printf("堆区地址: %p\n",p3);
     printf("堆区地址: %p\n",p2);
     printf("堆区地址: %p\n",p1);
     printf("未初始化数据区: %p\n",&un_val);
     printf("初始化数据区: %p\n",&init_val);
     printf("代码区: %p\n",main);
     return 0;
}

栈区向低地址增长，堆区向高地址增长。

6.2 感知进程地址空间

通过下面一份代码我们可以发现一个问题

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>                                                                  
int val = 100;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)//err
    {
        exit(-1);
    }
    else if(id > 0)//father
    {
        sleep(3);
        printf("PID:%d PPID:%d val:%d &val:%p\n",getpid(),getppid(),val,&val);
    }
    else//id == 0
    {
        val = 200;
        printf("PID:%d PPID:%d val:%d &val:%p\n",getpid(),getppid(),val,&val);
    }
    return 0;
}

代码当中用fork函数创建了一个子进程，其中让子进程相将全局变量val该从100改为200后打印，而父进程先休眠3秒钟，然后再打印全局变量的值。按道理来说子进程打印的全局变量的值为200，而父进程是在子进程将全局变量改后再打印的全局变量，那么也应该是200。但是结果并不是，而且两个进程中val变量的地址是一样的，但是为什么打印出的结果不一致呢？

若我们是在同一个物理地址处获取的数据，那一定是相同的，而现在在同一个地址处获取到的值却不同，这只能说明我们打印出来的地址绝对不是物理地址。

实际上，我们在语言层面上打印出来的地址都不是物理地址，而是虚拟地址。物理地址用户一概是看不到的，是由操作系统统一进行管理的。所以就算父子进程当中打印出来的全局变量的地址（虚拟地址）相同，但是两个进程当中全局变量的值却是不同的。

6.3 详细认知

进程地址空间地址大小由0x00000000到0xffffffff，且被划分为各个区域，例如代码区、堆区、栈区等。而在结构体mm_struct当中，便记录了各个区域的边界地址。由于虚拟地址是由0x00000000到0xffffffff线性增长的，所以虚拟地址又叫做线性地址。

堆向上增长以及栈向下增长实际就是改变mm_struct当中堆和栈的边界地址。

我们生成的可执行程序实际上就被分为了各个区域（例如初始化区、未初始化区等），并且采用与Linux内核中一样的编址方式。当该可执行程序运行起来时，操作系统则将对应的数据加载到对应内存当中即可，大大提高了操作系统的工作效率。而进行可执行程序的"分区"操作的实际上就是编译器，所以说代码的优化级别实际上是编译器说了算。

每个进程被创建时，其对应的进程控制块（task_struct）和进程地址空间（mm_struct）也会随之被创建。而操作系统可以通过进程的task_struct找到其mm_struct，因为task_struct当中有一个结构体指针存储的是mm_struct的地址。

而当子进程刚刚被创建时，子进程和父进程的数据和代码是共享的，即父子进程的代码和数据通过页表映射到物理内存的同一块空间。只有当父进程或子进程需要修改数据时，才将父进程的数据在内存当中拷贝一份，然后再进行修改。体现了进程之间的独立性，这种在需要进行数据修改时才进行拷贝的技术被称为写时拷贝技术。

为什么不在创建子进程时完成数据的拷贝呢？

子进程大概率不会使用父进程中所有数据，并且在子进程不对数据进行写入的情况下，没有必要对数据进行拷贝。在需要修改数据的时候再分配（延时分配），这样可以高效的使用内存空间

代码会不会进行写时拷贝？

大多数的情况下是不会的，但这并不代表代码不能进行写时拷贝，例如在进行进程替换的时候就需要进行代码的写时拷贝。

为什么要有进程地址空间？

1.进程地址空间和页表是OS创建和管理的，凡是非法的访问或映射都会被操作系统终止，起到了保护物理内存中的所有合法数据（各个进程以及内核的相关有效数据），不会存在任何系统级别的越界问题了。

2.有了进程地址空间后，每个进程看到的都是相同的空间范围，包括进程地址空间的构成和内部区域的划分顺序等都是相同的，这样一来我们在编写程序的时候就只需关注虚拟地址，而无需关注数据在物理内存当中实际的存储位置。可以让进程以一种统一的视角看待内存，方便以统一的方式来编译和加载所有的可执行程序，简化进程本身的设计与实现。

3.有了进程地址空间后，每个进程都认为自己在独占内存，这样能更好的完成进程的独立性以及合理使用内存空间（当实际需要使用内存空间的时候再在内存进行开辟），并能将进程调度与内存管理进行解耦。

进程如何创建？

一个进程的创建伴随着其进程控制块（task_struct）、进程地址空间（mm_struct）和页表的创建

七、进程优先级

7.1 优先级概念

优先级实际上就是获取某种资源的先后顺序，而进程优先级实际上就是进程获取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的权力。

7.2 优先级存在的原因

优先级存在的主要原因就是资源是有限的，而存在进程优先级的主要原因就是CPU资源是有限的，一个CPU一次只能跑一个进程，而进程是可以有多个的，所以需要存在进程优先级，来确定进程获取CPU资源的先后顺序。

7.3 PRI与NI

PRI代表进程的优先级，即进程被CPU执行的先后顺序，该值越小进程的优先级别越高。

NI代表的是nice值，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，当加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new) = PRI(old) + NI。

若NI值为负值，那么该进程的PRI将变小，即其优先级会变高。

调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程的nice值。

NI的取值范围是-20至19，一共40个级别。

注意：在Linux操作系统当中，PRI(old)默认为80，即PRI = 80 + NI。

7.4 修改进程nice值

7.4.1 top命令

top命令就相当于Windows操作系统中的任务管理器，它能够动态实监测系统中进程资源占用情况

使用top命令后按“r”键，会要求你输入待调整nice值的进程的PID；输入进程PID并回车后，要求输入调整后的nice值。若想退出输入q即可。

7.4.2 renice命令

renice + 更改的nice值 + PID

若想使用renice命令将NI值调为负值，需要root权限

八、环境变量

8.1 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。如编写的C/C++代码，在各个目标文件进行链接的时候，从来不知道所链接的动静态库在哪里，但依然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，并且在系统当中通常具有全局特性。

8.2 常见环境变量

PATH：指定命令的搜索路径（系统命令本质也是可执行程序，但启动时不需要指定路径）

HOME：指定用户的主工作目录（即用户登录到Linux系统中的默认所处目录）

SHELL：当前Shell，它的值通常是/bin/bash

8.3 环境变量相关命令

echo：显示某个环境变量的值

export：设置一个新的环境变量

env: 显示所有环境变量

set：显示本地定义的shell变量和环境变量

unset：清除环境变量

8.4 环境变量的组织方式

在Linux系统当中，环境变量的组织方式如下：

每个程序都会收到一张环境变量表，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，最后一个字符指针为空。

8.5 获取环境变量的方法

8.5.1 main函数参数

main函数其实有三个形参，只是平时不常使用所以没有写出来。

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

main函数的第二个参数是一个字符指针数组，该数组当中的第一个字符指针存储的是可执行程序的字符串，其余字符指针存储的是所给的若干选项的字符串，最后一个字符指针为空，而main函数的第一个参数代表的就是字符指针数组当中的有效元素个数。main函数的第三个参数接收的实际上就是环境变量表，我们可以通过main函数的第三个参数来获取系统的环境变量。

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

8.5.2 第三方变量environ

c语言给我们提供了一个全局变量environ，可以利用其访问环境表

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

8.5.3 getenv函数

可以通过系统调用getenv函数来获取环境变量。getenv函数可以根据所给环境变量名，在环境变量表当中进行搜索，并返回一个指向相应值的字符串指针。

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

Linux下进程以及相关概念理解（二）