【Linux】环境变量

本篇博客记录了Linux下一些概念的解释，以及环境变量的相关操作

所用系统：CentOS 7.6

1.概念解释

1.1 进程竞争性

系统进程的数目较多。而CPU资源等其他资源不够用，所以进程之间存在竞争性，也就出现了优先级，这在上篇博客中有过介绍

1.2 进程独立性

进程运行具有独立性，不会因为某个进程出错，而影响其他进程的运行

我们知道，一个进程是内核结构task_truck+代码和数据组成的。而linux系统是通过进程地址空间方式来保证进程的独立性，那是下篇博客会讲到的内容

1.3 并行

并行：多个进程在多个CPU下分割，同时运行

我们一般的电脑都是只有1个cpu，那是怎么做到多个进程运行的？

注意：多个进程都在系统中运行≠多个进程在系统中同时运行。要想知道这是怎么做到的，需要了解并发的概念

1.4 并发

大部分操作系统都是分时的，操作系统会给每一个进程赋予一个时间片，这样在一个调度周期中，可以调用到每一个需要运行的进程。

这样，在一个时间段内，多个进程会通过交叉运行的方式，让每一个进程的代码，在这段时间内都能得到运行

比如每一个进程运行10ms，假设有10个进程需要运行，那么在1s内，这10个进程都会被运行10次。1s=1000ms

cpu进行多个进程的快速交替运行，以实现我们看到的单cpu运行多个进程的情况

这种情况就叫做并发

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1.5 进程优先级管理

操作系统正在运行一个低优先级进程的时候，突然来了一个高优先级数据怎么办？

• 操作系统支持不同优先级进程的存在
• 同一个优先级的进程可以存在多个
• 操作系统是用队列来管理进程的，队列只支持支持尾删尾插

这种情况要怎么处理呢？如果给队列头插，那不就破坏了队列的属性了？

实际上，操作系统并不是用单一队列来进行管理的，而是用了一个哈希桶来进行处理

可以理解为哈希桶是一个数组，后面链接了不同优先级的进程

当一个更高优先级的进程需要运行的时候，操作系统只需要改变cpu当前运行队列在哈希桶里面的指向，即可马上完成高低优先级进程之间的切换

操作系统还会管理一个位图，用于标识某一个优先级内是否存在进程

哈希和位图这两个数据结构都会在C++的博客中讲解

除了位图和哈希表之外，操作系统还会管理一个结构体，用于标识目前正在使用的进程哈希桶active，以及新进程的管理桶old

struct runqueue{
	hash_queue* active;
	hash_queue* old;
};

当出现新进程的时候，操作系统不会把它直接链接到active里面，而是放入old中；

active内部的进程运行完了之后，只需要swap一下active/old指针，即可完成新进程表和运行完的旧表之间的交换！

• 这种调度算法也被称为大O(1)调度法

1.6 进程间切换

CPU存在寄存器，这些寄存器储存了进程的临时数据

• 寄存器分为可见寄存器（eax/ebx）和不可见寄存器

当进程在运行过程中，会产生各种临时数据

int test(){
	int a = 10;
	return a;
}
int main()
{
    int b = test();
    return 0;
}

我们知道，定义在函数test中的a是一个局部变量，出了作用域就会销毁，那么main函数里面的b是怎么拿到test的返回值的？

这里就用到了寄存器：a的值会先放入寄存器中，销毁了之后，再把寄存器里面的值赋值给b

和内存一样，CPU只有一套寄存器。这一套寄存器在运行不同进程的时候，可以保存不同的临时数据

这时候如果来了一个高优先级进程A，直接覆盖了正在运行的进程B及其寄存器中的数据，就可能导致进程B存在寄存器中的数据丢失，导致B无法继续运行

所以，在进程的task_struct结构体中，就有一个专门的成员用于保存进程的上下文数据

• 上下文数据：进程在运行中产生的各种临时数据
• 当进程被剥离的时候，需要保存上下文数据
• 当进程恢复运行的时候，需要重新加载上下文数据

关于进程pcb和task_struct的内容可以看我之前的博客 进程概念

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2.环境变量

2.1 引入环境变量

当我们运行自己编译的一个可执行文件的时候，需要带上./指定路径

使用file命令查看系统的相关指令，你会发现它们和我们自己写的mytest本质上是一样的，都是一个executable的可执行文件

[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ file /bin/ls
/bin/ls: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=c8ada1f7095f6b2bb7ddc848e088c2d615c3743e, stripped
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ file /bin/gcc
/bin/gcc: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=84ea48c51fa70f8cd586b7801bc655487156db7b, stripped
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ file mytest
mytest: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=db352023d208d9f48899641c3536a8c13b7bc7bf, not stripped

那为何运行诸如ls pwd gcc等等系统命令的时候，不需要在前面带上./路径来运行呢？

[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ mytest
-bash: mytest: command not found
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ ls
makefile  mytest  mytest.c

这是因为：指向一个可执行程序，前提是需要找到它！

linux系统只能找到它自己预设好的命令，找不到我们的mytest

在linux命令行中，输入env即可查看当前系统的环境变量

其中PATH就是可执行程序存放的路径！系统就是通过环境变量来查找可执行程序的

2.2 添加删除环境变量

别急，我们先来学习一下怎么添加环境变量。实际上，我们的bash命令行里面是可以定义变量的，变量分为两种类型

• 本地变量（局部）
• 环境变量（全局）

直接使用变量名=值的方式，就可以定义一个本地变量。使用echo命令可以查看这个本地变量。这时候我们用env | grep 变量名在环境变量里面查找，会发现当前的环境变量里面没有这个东西

[muxue@bt-7274:~]$ aaaa=1234
[muxue@bt-7274:~]$ echo $aaaa
1234
[muxue@bt-7274:~]$ env | grep aaaa
[muxue@bt-7274:~]$

这时候需要用export命令，创建一个环境变量

[muxue@bt-7274:~]$ export bbbb=4321
[muxue@bt-7274:~]$ env | grep bbbb
bbbb=4321

或者可以导入当前的本地变量

[muxue@bt-7274:~]$ export aaaa
[muxue@bt-7274:~]$ env | grep aaaa
aaaa=1234

删除的时候则使用unset命令取消环境变量

[muxue@bt-7274:~]$ unset bbbb
[muxue@bt-7274:~]$ env | grep bbbb
[muxue@bt-7274:~]$ 

查看环境变量

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

echo $环境变量名 #查看环境变量
set | less #查看所有的shell变量和环境变量

认识一些环境变量

• USER：当前登录的用户
• HOME：当前用户的工作路径
• LANG：当前的语言和编码设定
• PATH：可执行命令的路径
• SHELL：当前使用的命令行是啥
• LOGNAME：当前登录的用户名
• PWD：当前所处路径
• OLDPWD：上一个路径，使用cd -跳回上一个路径
• HISTSIZE：系统会记录的历史命令条数

我们可以用history命令查看之前运行过的命令，这里面保存的正好是3000条，和环境变量HISTSIZE的设置一致！

[muxue@bt-7274:~]$ env | grep $HISTSIZE
HISTSIZE=3000
[muxue@bt-7274:~]$ history | wc --l
3000

需要注意的是，系统预载的环境变量都是在配置文件里面的。当前我们对环境变量做的任何操作都只会临时保存。关闭当前的命令行重新开一个，之前设置的环境变量就会消失

[muxue@bt-7274:~]$ cat /etc/bashrc

系统的环境变量配置文件为/etc/bashrc，用户的则为工作目录下的.bashrc以及.bash_profile

查看上个进程退出状态码

在linux下有一个特殊的环境变量?，这个环境变量存放的是上一个进程的退出码。比如我们进程中return 0退出，那么查询到的就是0

echo $?

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2.3 环境变量PATH

使用echo $PATH查看当前系统可执行文件的路径

这里的路径都以:作为分割，linux查找命令的时候，就会在下面的这些路径里面查找

[muxue@bt-7274:~]$ echo $PATH
/usr/local/bin:/usr/bin:/usr/local/sbin:/usr/sbin:/usr/local/python3/bin:/usr/local/python3/bin:/home/muxue/.local/bin:/home/muxue/bin

除了直接使用ls，我们也可以使用路径的方式来调用ls

[muxue@bt-7274:~]$ /usr/bin/ls 
bin  git  install.sh  kook  mon

而如果想让系统能找到自己的可执行程序，就可以直接把可执行程序复制到这些路径中！

给PATH中添加可执行文件

[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ cp mytest ~/bin
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ mytest
hello world!
hello world!

比如现在，我把mytest这个可执行程序复制到了~/bin也就是/home/muxue/bin的路径下，此时直接使用mytest就能找到对应的命令了！

除了这种办法以外，我们还可以把当前的路径写入PATH环境变量中

[muxue@bt-7274:~]$ export PATH=$PATH:/home/muxue/git/raspi/code/test
#这样写是在原本的path后面追加内容。不能直接path=自己的路径，会直接覆盖
[muxue@bt-7274:~]$ echo $PATH
/usr/local/bin:/usr/bin:/usr/local/sbin:/usr/sbin:/usr/local/python3/bin:/usr/local/python3/bin:/home/muxue/.local/bin:/home/muxue/bin:/home/muxue/git/raspi/code/test

这时候直接执行mytest也成功了！

[muxue@bt-7274:~]$ mytest
hello world!
hello world!
hello world!

前面提到了我们设置的这个环境变量都是临时的，所以重启了之后，自己设置的这个路径也会消失

[muxue@bt-7274:~]$ echo $PATH
/usr/local/bin:/usr/bin:/usr/local/sbin:/usr/sbin:/usr/local/python3/bin:/usr/local/python3/bin:/home/muxue/.local/bin:/home/muxue/bin

注意：一般情况下不建议在linux系统路径中安装自己的可执行程序，因为这样会污染系统的命令环境！

3.C/C++获取环境变量

3.1 main函数的参数

之前一直没有了解过这个知识点，C/C++的main函数是可以带参数的！

#include<stdio.h>
//第一个参数指代命令个数，执行该可执行文件时传入的几个命令
//第二个参数是一个指针数组，存放了每一个命令的常量字符串
int main(int arg,char* argv[])
{
    printf("arg: %d\n",arg);
    for(int i =0;i<arg;i++)
    {
        printf("argv[%d]: %s\n",i,argv[i]);
    }

    return 0;
}

有了这两个参数，我们就可以利用它写一个命令行版本的计算器

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

//main函数可以带参数
//第一个参数指代命令个数，执行该可执行文件时传入的几个命令
//第二个参数是一个指针数组，存放了每一个命令的常量字符串
int main(int arg,char* argv[],char *envs[])
{
    if(arg != 4)
    {
        printf("Usage: %s [-a|-s|-m|-d] first second\n", argv[0]);
        return 0;
    }
    int x = atoi(argv[2]);
    int y = atoi(argv[3]);
    if(strcmp("-a", argv[1]) ==0)
    {
        printf("%d+%d=%d\n",x, y, x + y);
    }
    else if(strcmp("-s", argv[1]) ==0)
    {
        printf("%d-%d=%d\n",x, y, x - y);
    }
    else if(strcmp("-m", argv[1]) ==0)
    {
        printf("%d*%d=%d\n",x, y, x * y);
    }
    else if(strcmp("-d", argv[1]) ==0 && y != 0)
    {
        printf("%d/%d=%d\n",x, y, x / y);
    }
    else
    {
        printf("Usage: %s [-a|-s|-m|-d] first second\n", argv[0]);
    }

    return 0;
}

实现非常简单，其使用方法如下👇

[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ gcc test.c -o test -std=c99
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ ./test -a 10 20
10+20=30
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ ./test -s 10 20
10-20=-10
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ ./test -m 10 30
10*30=300
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ ./test -d 30 10
30/10=3
[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ ./test 1 1 1 1 
Usage: ./test [-a|-s|-m|-d] first second

上面这个小程序演示了main函数的参数的作用。

看到这里，想必你应该不难理解linux系统的命令是如何使用参数的，诸如ls -l等等选项，其实都是通过main函数的参数实现的！

通过main函数的参数，可以让同一个可执行文件依据命令输出不同的结果！

3.2 使用第三个参数获取环境变量

除了上面提到的main函数前两个参数，实际上main函数还可以带第三个参数！

//第一个参数指代命令个数，执行该可执行文件时传入的几个命令
//第二个参数是一个指针数组，存放了每一个命令的常量字符串
//第三个参数用于导入环境变量！
int main(int arg,char* argv[],char *envs[])
{
    for(int i =0;envs[i];i++)
    {
        printf("envs[%d]: %s\n",i,envs[i]);
    }
	return 0;
}

因为envs是一个指针数组，所以可以通过判空来终止for循环

在这个数组的最后，可以看到我们刚刚执行的命令也被写入了环境变量

除了上面这个办法，我们还可以用下面两种方式来获取环境变量

environ外部导入环境变量

C语言提供了一个environ来导入环境变量，其作用和main函数第三个参数是一样的

extern char ** environ;
printf("get env from [environ]\n");
for(int i = 0; environ[i]; i++)
{
    printf("%d: %s\n", i, environ[i]);
}

其输出的结果也是一样的

getenv函数

man getenv

这个函数就能实现一些骚操作，比如写一个只有我自己可以运行的可执行文件

int main(int arg,char* argv[],char *envs[])
{
    char* user = getenv("USER");
    if(strcasecmp(user,"muxue")!=0)//strcasecmp忽略大小写
    {
        printf("权限禁止！\n");
        return -1;
    }
    printf("成功执行！\n");


    return 0;
}

通过getenv函数获取到环境变量中的USER，判断其与我自己设定的user是否相同。如果不同就拒绝执行，相同才成功执行

[muxue@bt-7274:~/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]$ ./test
成功执行！

[root@bt-7274:/home/muxue/git/raspi/code/22-10-04_环境变量]# ./test
权限禁止！

可以看到，哪怕是root用户也搞不来这个可执行程序！

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4.关于本地变量的说明

在2.2中提到了本地变量和环境变量的区别

• 本地变量（局部）
• 环境变量（全局）

所谓的本地变量，其实是bash内部定义的变量。

我们首先需要了解的是，linux下大部分的进程或命令都是以子进程方式运行的，其父进程都是当前打开的bash

由此可知，bash内部的本地变量，并不会被这些子进程所继承

而环境变量具有全局属性，可以被子进程继承并获取！

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那么问题来了，export/echo也是命令。如果它们也是子进程，那它们是怎么获取到bash内部的本地变量，并将其导入到环境变量中的呢？

nope！实际上，这两个命令都是由bash自己执行的（调用自己的对应的函数完成功能）我们把这种命令称作内建命令

结语

关于环境变量的基本认识到这里就OVER啦。本博客是我的课堂笔记，难免会有问题，还请各位大佬指出~