[Linux 进程(三)] 进程优先级，进程间切换，main函数参数，环境变量

1、进程优先级

排队的本质就是确认优先级。
优先级是什么？它也是PCB中的一个整型字段，数值越小，优先级越高。是得到某种资源的先后顺序。
Linux进程的优先级数值范围：60~99。
Linux中默认进程的优先级都是80。
为什么要有优先级？本质是资源不足。
谈到优先级，就不得不说我们以前学的权限，它两区别是什么呢？
权限是能不能得到某种资源。优先级是保证能申请到某种资源，只不过需要等一等。就如现实中，我们去吃饭，人很多，但是做饭师傅只有那么几个，看到能给你做好端上来，只不过是有顺序的，讲究先来后到。
Linux下进程的优先级概念：

• 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，这样一来，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。

1.1 Linux下查看进程优先级

首先我们先写一份C语言代码：

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

int main()
{
    while(1)
    {
        printf("I am process, pid: %d\n", getpid());
        sleep(1);
    }
    
	return 0;
}

编译运行，我们查看一下该进程的优先级

ps -la

Linux下进程的优先级是由两部分组成的：PRI(priority) + NI(nice)
那么优先级可不可以改呢？ 可以，下面我们就学习一下怎么改。

1.2 Linux 进程优先级的修改

修改进程的优先级，并不是直接修改 PRI 而是修改NI值，从而达到修改PRI值的。

PRI and NI

• PRI也还是比较好理解的，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，此值越小进程的优先级别越高。
• 那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数。

这里修改PRI值的公式：PRI(new) = PRI(old) + nice

top命令配合操作更改优先级

输入top命令 -> 输入r -> 输入PID -> 输入nice值 就完成了进程优先级的修改，我们来试一下：
我们输入top后回车，来到此界面，再输入r后就提示我们输入PID

接下来我们输入PID：

输入完PID，它提示我们输入nice值，我们输入10：

完成后，按q退出。
我们来查看一下13312进程的优先级有没有被改：

我们可以看到进程的优先级已经被改，并且nice值确实也变了。修改后PRI值变大了，意味着进程优先级顺序变小了。
我们在此基础上来修改一下nice值，这次我们输入-10，看看优先级会如何变化：

这里显示将PID为13312的进程nice值设置成-10是不被允许的操作，这是怎么回事？
进程的优先级修改时，如果我们只是将优先级调小，普通用户身份就可以完成。但是如果我们想要调大，就需要以管理员身份/普通用户身份提权来操作，因此我们 top前加sudo 来操作。


这下确实能修改了，但是我们是在之前的基础上修改的呀，为什么nice值改为-10后，PRI值却是70呢？
因为每次修改PRI值的时候，PRI(old)值都是以80为基础，加上设置的nice值，得出的数值再赋给PRI(new)的。
我们再来试试，直接将nice设置为100，再看看PRI值会被改为多少。


这里我们发现，nice值并不是-100，而是-20，这又是为什么呢？
因为我们优先级最高是60，不管我们怎么去调整，最高60就限制了nice最小只能到-20，只要我们输入的nice值小于等于-20，都会被当-20来处理。
那么PRI的值最大是99，由此我们可以推测出，nice值最大被限制在19了，输入nice值大于等于19，都会被当作19来处理。
我们来测试一下：


确实不出我们所料呀。
我们看到有疑惑，为什么要把优先级限定在一定的范围内呢？
os调度的时候，要做到公平，较为均衡的让每一个进程都要得到调度。因为优先级可以改，用户恶意让自己的进程不断在最前面执行，那么容易导致优先级较低的进程，长时间得不到CPU资源，导致进程饥饿。
总结：

• PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为： PRI(new)=PRI(old)+nice。
• 这样，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。
• 所以，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。
• 需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
• 可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据。

1.3 竞争 独立 并行 并发

• 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。

调整系统优先级有很多方法，这里我们只说了这一种方式，我们学习了本质，有了底层的打底，操作再去学习就会变的简单了，并且轻易我们是不需要去改优先级的。

2、进程间切换

我们要知道，一个进程并不是占有CPU就一直运行，每隔一段时间，自动被从CPU上剥离下来，所以这就会存在进程切换的过程。
Linux内核支持进程之间进行CPU资源抢占的。
如果一个进程的PRI值是80，它正在CPU上运行，但是又来一个进程，它的PRI是60，意味着它需要被运行，这时就把PRI为80的进程拿下来，先让PRI为60的进程跑，可能此时时间还没到。
所以Linux调度的原则全程：基于时间片的轮转式抢占式内核。
CPU运行的时间特别快，我们感知不到，在一段时间内，进程是高速的的不断的切换，我们所感知到的进程是并发的。
问题： 进程切换的时候，可能一份代码并没有跑完，但是需要切换另外一个进程了，那下一次再运行此进程的时候，CPU怎么知道是从哪开始呢？
CPU中有寄存器，eip就是专门记录程序运行到哪一行的。
由此，我们也可以知道，一个CPU虽然只有一套寄存器硬件，但是寄存器的数据不仅仅是一套。寄存器 ！= 寄存器内容。并且进程切换后，进程的数据存在CPU的寄存器中。

问题： CPU内的寄存器数据保存在哪呢？
CPU内的寄存器数据保存在进程PCB中（简单理解），本质：CPU寄存器的内容，保存在内存中。
保存完之后，寄存器中的数据不会清空，下个进程被调度运行时，直接覆盖即可。

3、Linux2.6内核进程调度队列

这部分是选学，读者看自己情况来决定。
下图就是CPU维护的运行队列，我们主要盯着蓝色框和红色框来看：

3.1 活跃进程

首先，我们要知道，Linux下进程优先级范围为60~99共计40个等级，其次，运行队列是分活跃队列和过期队列，他们两个的功能后面我们就知道了。

CPU在运行时，会从上到下去扫描队列，优先级为n的位置不为空就会去运行它指向的PCB，为空就往后走，去找不为空的位置，直到遍历完队列。

3.2 过期进程

问题： 如果CPU正在运行队列中，运行优先级为99的进程，而现在一个优先级为70的进程加载进来，会直接放入活跃进程队列中，与正在运行的队列抢占资源吗？
肯定是不会的，如果我们不断加载进来进程，原本优先级低的进程，迟迟得不到CPU资源，导致进程饥饿！
所以新加载进来的进程，会先去过期进程数组按照优先级顺序排队。

在活跃进程数组没有被全部运行完时，CPU不会去调度过期进程的数组，这就保证了公平性。
当活跃队列的进程全部运行完后，CPU不是去过期进程数组调度，而是swap(active, expired)，改变指向后，依然运行活跃进程数组。
由此我们也就知道，在进程间切换的时候，我们就是把换出的进程放入了过期进程的数组中，等待CPU下一次的调度。

4 main函数参数 — 命令行参数

main函数是有两个参数的，int argc，char* argv[]。
我们来介绍一下：

int main(int argc, char* argv[]);
// 这两个参数叫做命令行参数
// argv是一个数组，类型是char*，也就是指针数组
// argc表示这个数组的元素个数

我们现在还不知道这个数组中存放的是什么内容，我们在Linux下写一个main函数，打印一下数组内容看看：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	int i = 0;
    for( ; i < argc; i++)
    {
        printf("argv[%d]: %s\n", i, argv[i]);
    }
    
	return 0;
}

我们发现，它把我们的命令打印出来了，我们多写点看看如何。

这里原来是把我们的命令以空格分割开，存入到字符串指针数组中的！

问题： 那是谁把命令放入到数组中的？
将命令行输入的字符串放入数组是os干的。

4.1 利用main函数的参数实现一个计算器

既然main函数可以拿到命令行输入的字符串，那我们可以用其写出一个简易的计算器，代码如下：

#include <stdio.h>                                                                                                              
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(int argc, char* argv[]) // argc代表参数个数，argv是字符串数组参数
{
    // 简易版计算器
    if(argc != 4)
    {
        printf("Use Error!\nUsage %s op[-add|-sub|-mul|-div] d1 d2\n", argv[0]);
        return 0;
    }
 
    // 将字符数字转为
    int x = atoi(argv[2]);
    int y = atoi(argv[3]);
    int result = 0;
    // 你的程序一定有4个命令行参数，第一个是程序名
    if(strcmp("-add", argv[1]) == 0)
    {
        result = x + y;
        printf("%d + %d = %d\n", x, y, result);
    }
    else if(strcmp("-sub", argv[1]) == 0)
    {
        result = x - y;
		printf("%d - %d = %d\n", x, y, result);
    }
    else if(strcmp("-mul", argv[1]) == 0)
    {                                                                                                                           
        result = x * y;
        printf("%d * %d = %d\n", x, y, result);
    }
    else if(strcmp("-div", argv[1]) == 0)
    {
        if(y == 0) printf("%d / %d = error! div zero\n", x, y);
        else 
        {
            result = x / y;
            printf("%d / %d = %d\n", x, y, result);
    
        }
    }
    else 
    {
        printf("Use Error!\nThe second parameter should is [-add|-sub|-mul|-div] !\n");
        return 0;
    }

    return 0;
}

使用方法：
1、先输入可执行程序；
2、第二个字符串输入 -add/-sub/-mul/-div；
3、第三个，第四个输入操作数；

4.2 模拟实现touch命令

在使用完我们写的计算器后，有没有感觉到，跟我们的Linux下指令很类似。
比如：ls命令，我们可以配选项：ls -l -a。
这些指令就是用C语言写的，加上一些选项在显示器上显示不同结果，它们的本质不就是用到了命令行参数么。
下面我们自己在实现一份touch指令代码：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 2) // 输入的字符串不规范
    {
        printf("touch missing file operand!\n");
        return 1;
    }

    FILE* fp = fopen(argv[1], "w"); // 以"w"方式打开，当文件不存在时，会自动创建                                                
    if(fp != NULL)                                          
        fclose(fp);                                         
                                                            
    return 0;                                               
}        

我们使用自己写的touch来创建文件试一下：

5、环境变量

系统中有很多的环境变量，我们可以使用 env 命令来查看一下：

其他我们不知道，今天我们挑着来学几个。

5.1 PATH的认识

我们命令行参数算是学明白了，但是大家有没有想过这样几个问题。
问题：

• 为什么我们写出来的程序在执行的时候需要加 ./
• 为什么在执行系统的指令的时候不需要加 ./

执行一个程序的前提是先找到这个可执行程序，我们写的程序在执行的时候，加上 ./ 本质是告诉bash在当前目录下找该程序。
系统指令也是 C/C++ 写出来的程序，那为什么系统指令不需要加呢？
一般的系统指令我们可以直接用，也可以加上它的路径执行：

这里系统指令不用加 ./ 就得提一下一个概念了：环境变量。
记录系统当中默认搜索路径的环境变量叫做：PATH（一般环境变量名是全大写的）。
在执行系统指令时，系统会去PATH中找当前的可执行程序在不在这些路径中，如果在正常执行，不在就报错。
查看环境变量内容指令：

echo $xxx  // 例如查看PATH，echo $PATH

这些路径按 : 分割开
先在/usr/local/bin找，没有去下一个路径找，找到执行，没找到继续下一个，找完都没有就返回错误信息。
因为我们自己的可执行程序并不在这些路径中，所以我们的可执行程序在执行的时候需要加上 ./ 来执行。

5.2 修改环境变量PATH

想要我们自己的程序像系统指令一样运行，我们可以将可执行程序的路径追加到环境变量PATH中去！
命令如下：

PATH = $PATH:要添加的路径

注意： 这里不能直接等于要添加的路径，直接等于就会覆盖掉原本的PATH，因为我们要按照上面追加的形式的来写。

此时，我们再去运行我们自己的mytouch程序就不用再带 ./ 了。我们来试试：

注意： 默认更改环境变量，只限于本次登录，重新登陆，环境变量自动被恢复。想要一劳永逸，可以将自己的可执行程序放入到默认的路径中（这个过程就做程序安装）。

5.3 HOME的认识

问题： 大家有没有疑惑过，我们在登录xshell的时候，我们以不同身份登录，进入的是不同的目录呢 ？

问题：

• 凭什么普通用户，登录后默认所处的目录是/home/XXX ?
• 凭什么root，登录后默认所处的目录是/root ?

因为系统中有一个环境变量HOME，在我们输入用户名与密码的时候，识别出登录者身份，初始化HOME，它能识别出登录者是普通用户还是root，并完成正确的初始化。

系统在登录的最后一刻，cd HOME所记录的路径，因此就实现了不同身份，进入不同的目录。
总结：
1、输入用户名 && 密码；
2、认证；
3、形成环境变量（不止一个）；
 3.1 根据用户名，初始化 $HOME=/root，$HOME=/home/XXX
4、最后，cd $HOME。

5.4 如何获取环境变量

我们知道了环境变量，以及查看环境变量命令，加之对HOME这个环境变量的学习后
我们明白了，系统中会存在大量的环境变量，每一个环境变量都有自己的特殊用途，用来完成特定的系统功能！
问题： 那么如何获取环境变量呢？
我们这里讲一个函数，getenv()，并配合一个场景来讲。

这里讲了，getenv()函数是以变量名来查找的，返回相应的字符串指针。
我们是不是可以按照用户名来对用户做甄别，不同用户去执行不同的代码。
假如，我们写一段代码，只想让root来执行，普通用户不能执行：

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

int main()
{
	char* user = getenv("USER"); // 获取环境变量USER的内容
	if(strcmp(user, "root") == 0)
    {
        printf("myself command!\n");
    }
    else
    {
        printf("%s是一个非法用户！\n", user);
    }
    
	return 0;
}

编译后我们以普通用户身份运行：

我们再切换到root身份运行：
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