【Linux】从零开始认识进程 — 终篇
送给大家一句话：
真正的优秀不是别人逼出来的，而是自己和自己死磕。—— 《人民日报》
从零开始认识进程
- 前言
- 1 环境变量的组织方式
- 2 程序地址空间
- 2.1 实验
- 2.2 概念认识
- 2.3 如何理解地址空间
- 什么是划分区域？
- 为什么要有地址空间
- 如何理解页表（和MMU）和写时拷贝
- 如何理解虚拟地址
- 3 如何调度进程
- 优先级
- 活动队列
- 过期队列
- active指针和expired指针
- 总结
- Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
- 下一篇文章见！！！
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 2 #include 3 #include 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 2 #include 3 #include 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？
- 从0下表开始遍历queue[140]
- 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
- 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
- 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)。
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
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
- 可是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。
- 没关系，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！
总结
在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增加，我们称之为进程调度O(1)算法！
由图所示。
Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
下一篇文章见！！！
