【Linux】从零开始认识进程 — 终篇

叫我龙翔

发布于 2024-03-28 10:04:57

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发布于 2024-03-28 10:04:57

文章被收录于专栏：就业 C++ 综合学习

前言

经过前三篇的认识，现在应该已经大致认识到了进程到底是什么，也认识了进程的状态，进程的优先级，环境变量等知识。今天我们继续学习，来一起认识地址空间！！！

1 环境变量的组织方式

上一篇文章我们介绍了什么是环境变量，今天我们来看看如何创建获取环境变量

补充一下和环境变量相关的命令
1. echo: 显示某个环境变量值
2. export: 设置一个新的环境变量
3. env: 显示所有环境变量
4. unset: 清除环境变量
5. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量

我们先在当前路径创建一个变量看看

我们可以通过echo 命令查到，说明HELLO在Bash中是存在的，只是没有把它当做环境变量。我们也可以通过下面一段代码来验证一下：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<string.h>
  4 
  5
  6 
  7 int main()
  8 {
  9 
 10   char *path = getenv("HELLO");                                                    
 11   if(path == NULL) return 1;
 12   printf("hello:%s\n",path);
 13   return 0;
 14 }

这样执行程序后会发现无法打印出来（因为子进程会继承父进程的环境变量表，所以证明不是环境变量，也就是本地变量）可以使用export可以加入bash的内存中。

2 程序地址空间

2.1 实验

我们先来做一个小实验，来看一个神奇的现象：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<string.h>
  4 
  5 int g_val = 10000;
  6 
  7 int main()
  8 {
  9 
 10   printf("father is running ,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
 11 
 12   pid_t id = fork();
 13   if(id == 0)
 14   {
 15     //child
 16     int cnt = 0;
 17    while(1)
 18    {
 19       cnt++;
 20       printf("I am child process,pid:%d,ppid:%d,g_val:%d, &g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
 21       sleep(1); 
 22       if(cnt == 5)
 23       {
 24         g_val = 9999;
 25         printf("I am child process,change %d -> %d\n",100,g_val);                                                                                                             
 26       }                                                                                                                                     
 27    }                                                                                                                                        
 28                                                                                                                                             
 29   }                                                                                                                                         
 30   else                                                                                                                                      
 31   {                                                                                                                                                                
 32     //parent                                                                                                                                                       
 33     while(1)                                                                                                                                                       
 34    {                                                                                                                                                               
 35       printf("I am parent process,pid:%d,ppid:%d,g_val:%d, &g_val:%p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);                                                           
 36       sleep(1);                                                                                                                                                    
 37    }                                                                                                                                                               
 38                                                                                                                                             
 39   }                                                                                                                                         
 40                                                                                                                                             
 41   return 0;                                                                                                                                 
 42 }

来看执行的效果：

同一个变量,甚至地址都一样，但是为什么是不一样的值？？？

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
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

2.2 概念认识

其实我们常说的地址并不是在磁盘或内存中的真正的地址，程序地址空间是在操作系统中来说的。

每一个进程都会有对应的地址空间，储存对应数据和代码。那么如何保证每个进程都正确的读取数据和代码，而不会与其他进程搞混呢？这就与其本质有关了：程序地址空间的本质是结构体对象，通过这个结构体操作系统可以管理进程。子进程的页表会拷贝自父进程，所以子进程会继承父进程的数据。当子进程想要修改g_val时，如果父进程也被修改，那么就破坏了进程的独立性，可能导致程序崩溃，那么操作系统是如何解决这个问题的呢？？？操作系统会检查该变量是不是子进程独有的，如果不是，那么就会重新开辟一个物理空间来储存新值，对应的页表映射也发生改变，注意页表的虚拟地址不变，改变的是映射的物理空间，就能够修改变量值了，而且打印的虚拟空间一致（物理空间不同）。来注意一些细节：

如果父进程和子进程都不修改变量，那默认是父子进程共享的，代码也是共享的（只读）
只有修改时才会开辟新空间（写时拷贝）
为什么这么做？保证进程的独立性，按需申请（做到节省空间）

2.3 如何理解地址空间

什么是划分区域？

可以打个比方，小学生的桌子都有一个三八线，这个划分区域就类似这样，保证每个人（进程）有独属于自己的空间

struct area
{
	int start;
	int end;
}
struct destop
{
	struct area left;
	struct area right;
}

就类似这样，做到控制空间大小区域。我们，来看源码里是如何调节的：

这里面进行了区域的划分。

为什么要有地址空间

如果直接使用物理地址，可以想象是很混乱的，很容易发生越界等危险操作。而通过页表来进行映射，就明确了储存地址的范围，保证了数据读取的安全：

将无序变有序，让进程以统一的视角来看待物理内存，以及自己运行的各个区域！
拦截非法请求，保护物理内存空间！

如何理解页表（和MMU）和写时拷贝

CPU可以储存页表，并且有一个简单的寄存器MMU，可以快速的将虚拟地址转化为物理地址。页表中有对应的位置会存入rwx权限，做到保护物理地址，例如：

char* str = "Hello world";
*str = 'J';

这肯定会报错的，这个报错就是页表检查权限进而报错了，只读的权限不能进行写入操作。操作系统可以进行一下检查：

检查是不是在物理内存中（缺页中断,页表中不存在物理内存，会重新开辟空间）
检查是不是数据需要写时拷贝(发生写时拷贝)
如果都不是就进行异常处理。

如何理解虚拟地址

可执行程序进行运行时，会将页表对应的物理内存的数据直接读取出来。等…

3 如何调度进程

Linux是一个分时操作系统（与之对应的是实时操作系统，例如车机操作系统可以实时反应）。

优先级

普通优先级： 100～ 139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！）实时优先级： 0～ 99（不需要关心这个）

活动队列

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
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！
从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？
1. 从0下表开始遍历queue[140]
2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
4. 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！
long 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 (160)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！ 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000.......这个位图就可以快速查询(以32个比特位进行查找)。