[OS-Linux]详解Linux的进程2（进程的优先级，环境变量，程序地址空间，进程地址空间，进程调度队列）

Posted 2022-12-04 TT在长大

本文基于CentOS，深入解释进程的优先级，环境变量，程序地址空间，进程地址空间，进程调度队列。

目录

一、进程优先级

1.基本概念

2.查看系统进程

3. PRI && NI 

4.其他概念

二、环境变量

1. 基本概念

2. 常见环境变量

3. 查看环境变量方法

4. 和环境变量相关的命令

5. 环境变量的组织方式

6. 通过代码如何获取环境变量

7. 通过系统调用获取或设置环境变量

8. 环境变量通常是具有全局属性的

三、程序地址空间

1.程序地址空间

四、进程地址空间

五、Linux2.6内核进程调度队列

1.进程队列的数据结构

2. 优先级

3.活动队列

4.过期队列

5. active指针和expired指针

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一、进程优先级

1.基本概念

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权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。还可以把进程运行到指定的CPU上，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能。

2.查看系统进程

在linux或者unix系统中，用ps –l命令则会类似输出以下几个内容：

列表中：

        UID : 代表执行者的身份
        PID : 代表这个进程的代号
        PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
        PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
        NI ：代表这个进程的nice值

3. PRI && NI 

PRI即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，值越小进程的优先级别越高
NI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，加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值
nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

用top命令更改已存在进程的nice：进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

4.其他概念

竞争性: 系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级；
独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰；
并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行；
并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发。

二、环境变量

1. 基本概念

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。
在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，不知道链接的动态静态库在哪里，但依然链接成功，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，还有在系统当中通常具有全局特性

2. 常见环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径
HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)
SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。

3. 查看环境变量方法

echo $NAME                         //NAME:环境变量名称

4. 和环境变量相关的命令

        echo: 显示某个环境变量值
        export: 设置一个新的环境变量
        env: 显示所有环境变量
        unset: 清除环境变量
        set: 显示本地定义的shell变量和环境变量

5. 环境变量的组织方式

每个程序都会收到一张环境表，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.

6. 通过代码如何获取环境变量

命令行第三个参数

#include <stdio.h>

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

    int i = 0;

    for(; env[i]; i++)
        printf("%s\\n", env[i]);
    

    return 0;

 通过第三方变量environ获取

#include <stdio.h>

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

    extern char **environ;

    int i = 0;

    for(; environ[i]; i++)
        printf("%s\\n", environ[i]);
    

    return 0;

libc中定义的全局变量environ指向环境变量表,environ没有包含在任何头文件中,所以在使用时 要用extern声明。

7. 通过系统调用获取或设置环境变量

        常用getenv和putenv函数来访问特定的环境变量。

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

int main()

    printf("%s\\n", getenv("PATH"));

    return 0;

8. 环境变量通常是具有全局属性的

        环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去

三、程序地址空间

1.程序地址空间

         C语言的空间布局图

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

int g_val = 0;

int main()

    pid_t id = fork();

    if(id < 0)

        perror("fork");

        return 0;

    

    else if(id == 0) //child

        printf("child[%d]: %d : %p\\n", getpid(), g_val, &g_val);

    else //parent
        printf("parent[%d]: %d : %p\\n", getpid(), g_val, &g_val);
    

    sleep(1);

    return 0;

输出：

 输出出来的变量值和地址是一模一样的。可是将代码稍加改动:

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

int g_val = 0;

int main()

    pid_t id = fork();

    if(id < 0)

        perror("fork");

        return 0;

    

    else if(id == 0) //child
        g_val=1;
        printf("child[%d]: %d : %p\\n", getpid(), g_val, &g_val);

    else //parent
        sleep(3);
        printf("parent[%d]: %d : %p\\n", getpid(), g_val, &g_val);
    

    sleep(1);

    return 0;

输出：

父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样 。

这是因为：
我们在用C/C++所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，由OS统一管理。
OS必须负责将虚拟地址转化成物理地址。

四、进程地址空间

进程的地址空间由允许进程使用的全部线性地址组成。每个进程所看到的线性地址集合不同，一个进程的地址和另一个进程的地址间没有什么关系。内核可以动态修改进程的地址空间。

分页式内存管理可以将一段程序加载到不连续的物理空间上，但是从虚拟地址空间来看依旧是连续的，这样就可以解决内存使用率低的问题

序A和程序B分别被映射到了两块不同的物理内存，它们之间没有任何重叠，如果程序A访问的虚拟地址超出了 0X00A00000 这个范围，系统就会判断这是一个非法的访问，拒绝这个请求，并将这个错误报告给用户，通常的做法就是强制关闭程序。程序可以使用固定的内存地址。虚拟内存无论被映射到物理内存的哪一个区域，对于程序员来说都是透明的，我们不需要关心物理地址的变化，只需要按照从地址 0X00000000 到 0X00A00000 来编写程序、放置变量即可，程序不再需要重定位。

现代计算机都使用分页（Paging）的方式对虚拟地址空间和物理地址空间进行分割和映射，以减小换入换出的粒度，提高程序运行效率。

分页与虚拟地址空间

五、Linux2.6内核进程调度队列

1.进程队列的数据结构

Linux2.6内核中进程队列的数据结构：

一个CPU拥有一个runqueue，如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题。

2. 优先级

普通优先级：100～139（普通的优先级，与nice值的取值范围对应）
实时优先级：0～99

3.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的过程：
               （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。
        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！        

4.过期队列

        过期队列和活动队列结构一模一样;
        过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程;
        当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算.

5. active指针和expired指针

        active指针永远指向活动队列；
        expired指针永远指向过期队列；
        活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的， 在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程。