【Linux】环境变量 程序地址空间
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🌠命令行参数：
🌟基本概念
🌟常见环境变量
✨<1> PATH : 指定命令的搜索路径
✨<2> HOME : 指定用户的主工作目录
✨<3> SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash
✨<4> PWD：保存当前进程所在的工作路径
✨<5> USER：获取当前登录的用户
🌟查看环境变量的方法
🌟环境变量的相关命令
🌠环境变量 vs 本地变量
🌠小贴士：
🌟程序地址空间
🌠虚拟地址/线性地址：
🌟进程地址空间
🌠小贴士：
✨页表
✨地址空间mm_struct
🌠小贴士：
🌠 为什么要有虚拟地址空间和页表？
🌠命令行参数：
我们使用的所有指令是用C语言或者是其他语言写的，指令中的选项是通过命令行参数来实现的，命令行参数列表使得同一个程序，可以根据命令行参数，根据选项的不同，表现出不同的功能。比如：指令中选项的实现！
• main 函数的参数是谁传递的？
这个字符串首先是被命令行解释器(shell)【进程】拿到的，shell 拿到之后，首先把上面的命令按照空格打散，形成一张表（argv）和元素个数（argc）。命令行启动的程序，父进程都是shell，所以命令和shell命令行是父子关系。
如果对于一个全局变量，父子进程都不修改，对于全局变量父子进程只进行读取，并不会进行拷贝，即 对于数据（尤其是只读），子进程也能看到！
• 命令行参数它的打散和形成的过程是由shell（父进程）来做的，在命令行里面执行的命令和启动的程序是子进程，子进程是通过让shell以 fork() 的形式创建出来的，换句话说，如果shell打散之后形成了全局的 argc 和 argv[] 的表结构，这个表的内容它也不改变了（命令行参数不需要改），所以子进程也能读到，子进程把读到的对应命令行参数 argc 和 argv[] 传递给main函数就可以了。
• 编译器、操作系统、加载器，不是相互割裂的，是彼此有关系的！
🌟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。
• 如：我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但是照样可以链接成功，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，还有在系统当中通常具有全局特性。
每一个进程都有一个环境变量表，这个环境变量表是继承于它的父进程的！
🌟常见环境变量
✨<1> PATH : 指定命令的搜索路径
✨<1> PATH : 指定命令的搜索路径 。本质是内存级的变量，是在shell内部维护起来的，我们可以通过一定的命令行方式来改环境变量，改了之后我们就可以直接执行我们的程序，不用带路径。
如果不想带路径，让自己写的可执行程序运行起来：
• 可以把自己写的可执行程序拷贝到 /usr/bin 目录下，就可以不带路径去执行自己写的可执行程序；
• 把自己的路径，添加到PATH中。（此时PATH是一个内存级的数据）
我们在写完一个可执行程序code时，要执行这个可执行程序要输入指定路径（./当前路径） “./code” 命令行才能找的这个可执行程序并且去执行它,我们也可以把我们写的这个可执行程序拷贝到 " /usr/bin" 目录下就可以只写程序名"code"就可以执行，而像 "ls、pwd..." 这些命令并不需要指定路径编译器就能找到它并且去执行，为什么系统知道，这些命令在 " /usr/bin " 路径下？因为PATH环境变量，告诉了shell，它应该去哪一个路径下查指令！
$PATH的内容，最开始是从哪里来的？最开始肯定不在内存里面，大部分的环境变量最开始时一定是在系统的配置文件当中的！ 我们登录 -> 启动一个shell进程 -> 读取用户和系统相关的环境变量的配置文件 -> 形成自己的环境变量表 -> 创建的子进程就能拿到这个表里面的内容。
所以我们在命令行直接修改完 PATH环境变量之后，这个PATH环境变量只是一个内存级的数据，如果我们想让一个环境变量永久有效，就要找到它的环境变量的配置文件进行修改。
当我们的bash启动时，bash就会读取这两个配置文件，来形成自己的环境变量信息，所以默认登录的时候都会默认是处在自己的家目录的，只有在自己的家目录下才能找到约定好的这两个配置文件。
修改完成之后，自己写的可执行程序退出之后，还保留着，再次登录还能执行。
我们知道每启动一个进程，进程内部都会记录是谁启动的这个进程（uid），在启动进程的时候，系统中的环境变量早就已经写了user是谁，并且把该进程的uid写入到进程的pcb中了。
✨<2> HOME : 指定用户的主工作目录
✨<2> 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)
当我们登录系统的时候，系统首先会给我的用户创建bash来给我们做准备，bash就要读取对应环境变量相关的一些配置文件，然后配置自己相关的环境变量（PATH、HOME...来初始化），所以在你还没登录你的环境变量就已经被设置好了，
bash也是一个进程（cwd），它会设置自己的cwd，它会把自己（bash）的cwd设置成我们读到的HOME环境变量。
所有命令行启动的进程都是bash的子进程！ 这些子进程的task_struct的属性大多是从父进程里面拷贝进来的（进程的代码可以是共享的，但是数据是自己各自私有的一份）以父进程为模板，包括属性cwd，子进程的cwd是继承bash(父进程)的当前工作路径的！
✨<3> SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash
✨<3> SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。
SHELL会记录下来，当前用户在登录时，启动的是哪一个SHELL，所以 /bin/bash 就会把SHELL相关的可执行程序的路径和程序给记录下来。
✨<4> PWD：保存当前进程所在的工作路径
✨<4> PWD：保存当前进程所在的工作路径。
获取环境变量的方式：
• 通过环境变量来获取当前进程所处的工作路径：
所以进程能获取自己所在的路径，例如：新建文件 "log.txt" --> get("PWD")/filename
✨<5> USER：获取当前登录的用户
✨<5> USER：获取当前登录的用户
环境变量是系统提供的具有”全局“属性的变量！
🌟查看环境变量的方法
echo $NAME // NAME：你的环境变量名称例如：
echo $PATH🌟环境变量的相关命令
| echo | 显示某个环境变量的值 |
| export | 设置一个新的环境变量 |
| env | 显示所有的环境变量 |
| unset | 清除环境变量 |
| set | 显示本地定义的shell变量和环境变量 |
🌠环境变量 vs 本地变量
环境变量可以被子进程继承下去，而本地变量不能。
环境变量可以被所有bash之后的进程全部看到，所以，环境变量具有”全局属性“！！！
• 系统的配置信息，尤其是具有"指导性"的配置信息，它是系统配置起效的一种表现；
• 进程具有独立性！环境变量可以用来进程间传递数据（只读数据！！！）。
🌠小贴士：
环境变量是系统配置的一大批的基本信息。环境变量是一种系统当中"全局"有效的基本信息，这种配置信息主要是用来，让每一个子进程都能获得配置信息，当需要获得系统的配置信息，我们可以通过获取 "getenv()" 的方式来进行获取。
🌟程序地址空间
在C语言中程序的空间地址是这样的：
我们知道父子进程的代码是共用的，数据是私有一份的，那为什么父子进程所指向的全局变量的地址都是一样的？我们只能确定该地址，绝对不是物理地址！！---> 虚拟地址/线性地址。
🌠虚拟地址/线性地址：
<1> 地址空间
• 进程对虚拟地址空间“先描述，再组织”，虚拟地址空间本质是一个内核数据结构对象（类似PCB）。
操作系统分别告诉所有进程自己有多少的内存空间，然后对每个进程的内容进行"先描述，再组织”对进程进行管理，即：让每个进程都认为自己是独占系统物理内存大小，进程彼此之间不知道，不关心对方的存在，从而实现一定程度的隔离！
当我们创建一个进程的时候，会有一个 task_struct ，我们不能让task_struct直接去访问物理内存，因为会直接访问到物理地址，为此操作系统就在进程和物理内存之间设计了一种数据结构struct mm_struct，task_struct 内部会有一个指向 struct mm_struct 的指针，struct mm_struct 当前进程的进程地址空间，即每一个进程都是通过 struct mm_struct 来进行访问物理内存的。
<2> 区域划分
空间区域划分的本质：只需知道开始和结束的两个整型变量即可。
<3> 地址空间上的地址
• 地址本质就是一个数字，可以被保存在unsigned long (4字节)；
• 空间范围内的地址，我们可以随便用，暂时不需要记录它的地址。
🌟进程地址空间
每个进程都有自己的 task_struct (PCB)，里面存在struct mm_struct(进程的虚拟地址空间)，struct mm_struct 会记录下来一个进程所对应的各个代码区域的信息，一个进程的所有代码数据都应该保存在物理内存当中，即可执行程序被加载到内存当中，每一行代码都有自己的物理地址。操作系统给每个进程构建一张页表，操作系统在创建进程加载代码的时候，它会把当前地址空间的虚拟地址和物理地址构建映射关系 这张页表会把代码的物理地址和虚地址给映射到一起，作为用户我们看不到物理地址，只能看到虚拟地址，即当我们写入一个 gval = 100, 编译器会拿到的是虚拟地址，然后去写入100，当前进程会根据这个虚拟地址，查找对应页表，根据虚拟地址映射对应的物理地址，然后在物理内存的空间当中写入数据100，此时就写入完成。
当创建子进程的时候，以父进程为模板进行创建：struct task_struct 、struct mm_struct ，此时struct mm_struct里面的虚拟地址也是可以被父进程看到的，刚开始时子进程被创建没有代码没有数据它只能从父进程继承下来（继承父进程PCB和父进程所有的虚拟地址空间、父进程所对应的页表），页表里面的内容映射到父进程的代码区域，所以父进程和子进程指向同样的区域（父子代码共享），在父子进程不修改变量时，数据其实也是共享的！当父/子进程修改变量时，即写入时，进程是具有独立性的，操作系统就会在内存里面重新申请一份内存空间，然后把没被修改的内存空间里面的内容拷贝到新申请的内存空间，接着修改页表的物理地址（改为新申请的物理地址），子进程就不再指向父进程没修改内容的空间，转而指向新申请的内存空间的地址。拷贝修改的这种机制由操作系统自主完成，称为操作系统的写时拷贝机制！即默认不会进行拷贝，当需要修改时，才会进行拷贝。这种机制使得在上层用户拿到父/子进程的虚地址不变，但是父/子进程却访问到了不同的内容。因此我们上面写的代码明明子进程都修改了，但是打印出来的变量地址和父进程变量的地址是一样的，原因是因为我们看到的是 虚拟地址。
🌠小贴士：
（1）关于变量和地址
当我们在编译器里面写入变量（int a = 10）时，编译完后，这个变量名已经不在了，已经变成了地址。所以变量名在被我们使用时，它本质就是地址。
（2）进程和进程的独立性
• 进程 = 内核数据结构（task_struct、struuct mm_struct、页表）+ 自己的代码和数据
• 父进程和子进程中的 task_struct、struuct mm_struct、页表、[子进程修改后]数据 都是私有一份的，即 内核数据结构 和 自己的代码和数据 都是各自私有的一份。
✨页表
像某种数据结构（map）进行一一映射，页表里面有很多标记位。
（1）权限rwx：记录该进程的读写执行权限。
（2）isexists：记录目标内容是否在内存中
• 分批加载
• 挂起等操作
✨地址空间mm_struct
结构体变量，就必须初始化。每个区域在编译的时候，在磁盘中区域的大小就已经在自己的可执行程序中记录下来了，可执行程序在编译的时候，就已经按照特定的大小对可执行程序进行分段了。
🌠小贴士：
<1> 可执行程序：
• 本身就已经提前分区了，所以我们可以分区加载出来；
• 包含属性：分区多大，从哪开始，到哪里结束......
<2> 全局变量、字符常量 都是全局属性，在运行期间都会有效，因为在虚拟地址空间中，全局变量会随着进程一直存在，全局变量的虚拟地址，会一直被看到。
🌠 为什么要有虚拟地址空间和页表？
<1> 当在进行操作的时候，要在页表转化一次，成功之后才能访问到内存，不成功就不能访问内存，即：允许操作系统去拦截请求。虚拟地址空间和页表：保护内存。
我们写程序是遇到野指针，往往程序就会崩溃，根本原因是因为指向的虚拟地址在页表上根本就不对（相关的权限不对、没有形成相应的映射），系统就会杀掉这个进程，所以程序就会崩溃。
<2> 进程管理 和 内存管理 在系统层面上进行解耦合了。
当在内存申请空间时，内存只会给你开辟空间，并需要知道你要这个空间来做什么，进程被创建和内存管理关系不大。
<3> 让进程以统一的视角看待物理内存。
代码和数据加载到物理内存的任意地方，并不影响当前进程去运行，进程通过页表映射，进程的虚拟空间地址中的代码区、数据、堆区、栈区...永远都在一起，即只要有统一的虚拟地址空间通过页表映射的时候，即便把代码数据映射到物理内存的任意位置，在进程看来永远都是代码区、数据、堆区、栈区...，全都可以按照一定规则去统一呈现，只是大小有变化。即 把 “无序” 变为 “有序”。
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