【Linux】进程调度算法、进程切换、环境变量

### 位图（bitmap）中位的定位与状态判断 在优先级调度的位图机制中，通过以下方式定位指定序号N对应的比特位，并判断其状态： 1. 定位所在char元素： i = N / (sizeof(char)*8) （sizeof(char)*8 是单个char的比特数，通常为8；i表示N对应的比特位所在的char数组下标） 2. 定位char内的比特位： pos = N % (sizeof(char)*8) （pos表示N在当前char元素中的具体比特位下标） 3. 判断比特位是否置1： 实际操作应为 b.bits[i] & (1 << pos) （通过位运算判断该比特位是否被标记为1）

3、进程调度流程

【简略版运行队列结构体】：

// 定义指针数组，存储运行状态进程的task_struct指针，最多140个 task_struct *running[140]; // 定义指针数组，存储等待状态进程的task_struct指针，最多140个 task_struct *waiting[140];

这两个指针数组分别存储了140个优先级对应的进程队列；

普通优先级：我们只关心下标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（不关心）

进程被调度时，会按照从上到下，从左到右的顺序进行轮换调度，这个时候有人就会有疑问了，进程被调度时，如果调度过程中突然有新进程插进来怎么办？

其实完全不用担心新进程插入会打乱现有队列秩序 —— 这类新进程会被精准插入到waiting数组对应优先级的队列（和running数组完全一样），并且是直接追加到队尾，不会插队到当前正在排队的进程前面，原有进程的排队顺序完全不会被改动。

调度的顺序是先把running数组里的进程调度完，再去调度waiting数组里的进程。

这里的run和wait两个指针，就是用来管理这两个数组的：run指针负责指向running数组，wait指针负责指向waiting数组。等要切换调度的数组时，不用动数组里的进程数据，只需要把这两个指针存储的地址交换一下，就能从调度running数组的进程，切换到调度waiting数组的进程了。

进程调度流程

1、选进程运行

遍历普通优先级队列queue[100~139]，取首个非空队列的队首进程，通过上下文切换使其进入运行态（R 态），占用 CPU 执行。

2、进程切换触发条件

进程运行中，触发任意情况则立即切换：

被动切换 1：当前进程时间片耗尽；

被动切换 2：有更高优先级进程就绪（抢占 CPU）；

主动切换：当前进程请求 I/O/ 调用sleep()（主动放弃 CPU）。

3、切换后的收尾处理

完成切换后，对原运行进程做状态 + 队列安置：

时间片耗尽：保持 R 态，尾插到原优先级队列队尾；

被抢占：保持 R 态，回到原优先级队列队首；

主动放弃 CPU：进入可中断睡眠态（S 态），移出运行队列（runqueue），加入等待队列（waitqueue）。

4、循环调度

回到调度起点，重复步骤 1，从运行队列选新进程运行。

进程调度算法是基于优先级的时间片轮转的核心逻辑规则，定义了 “选进程、定切换时机、处理切换后进程” 的策略，是整个调度行为的决策依据；

进程调度流程是算法的落地执行步骤，将算法的抽象规则转化为 “选进程→触发切换→收尾处理→循环调度” 的可执行序列；

进程切换是流程中的核心执行操作，负责完成 CPU 执行权在进程间的实际交接，是算法决策的落地动作。

三者关系可概括为：算法定规则，流程走步骤，切换做动作。

时间复杂度分析

若直接遍历queue[140]（即使只看[100,139]区间），虽然时间复杂度属于常数级，但每次都要逐个检查队列是否为空，实际执行效率并不高。

因此这里引入了位图优化：用char bits[5]（共 40 个比特位），让每个比特位对应一个优先级队列 —— 比特位为 1 表示对应队列非空，为 0 则表示队列为空。

借助这种方式，无需遍历数组，直接通过位运算就能快速定位到第一个非空队列，彻底解决了 “遍历判空效率低” 的问题。

这整个流程是标准的O (1) 调度算法：从位图快速定位非空队列、调度时直接取队列头进程执行，到新进程队尾插入、交换 run/wait 指针切换调度数组，所有关键操作均只需固定步数完成，耗时与进程 / 队列数量无关，整体为常数时间复杂度。

------------进程切换------------

1、进程切换概念

进程切换：操作系统中，CPU 从正在执行的 A 进程，暂停其运行并切换到 B 进程继续执行的核心操作。

核心是 “保存 + 加载” 上下文：先把 A 进程的运行现场（执行位置、寄存器数据、地址映射等）保存到进程控制块（PCB），再从 B 进程的 PCB 中加载其上下文并恢复，让 B 进程从上次暂停的节点无缝继续执行，最终实现多进程 “并发”（宏观同时运行，微观 CPU 轮流执行）。

2、进程上下文是什么？

进程上下文：进程运行的完整 “现场快照”，是进程能被暂停后无缝恢复执行的核心依据，包含进程继续运行所需的所有关键信息，可分为四大类核心组成（每类都对应实际运行必需的功能）

1、CPU 执行相关（核心中的核心）程序计数器（PC）：记录 CPU 下一条要执行的指令地址，确保恢复时知道 “从哪继续跑”。通用寄存器：存储当前执行的中间数据（比如计算结果、变量值），切换时必须完整保存 / 恢复，否则数据丢失。状态寄存器、栈指针（SP）、基址指针（BP）：记录 CPU 运行状态、栈空间地址范围，保障函数调用、数据存取的连续性。

2、内存映射相关页表：记录进程虚拟地址与物理内存地址的映射关系，确保恢复后 CPU 能精准找到进程的代码、堆、栈数据。地址空间信息：进程专属的虚拟地址范围（如代码段、数据段、堆、栈的边界），避免与其他进程内存冲突。

3、进程资源相关打开的文件句柄：比如进程正在读写的文件、网络套接字，切换后仍能正常操作这些资源。信号掩码与处理函数：记录进程能响应的信号、以及信号触发后的处理逻辑，避免信号处理混乱。I/O 设备状态：如打印机、键盘等设备的连接状态，确保恢复后 I/O 操作能继续

4、进程管理相关进程状态（R/S/D/T 等）：标记进程当前是就绪、阻塞还是运行态。优先级与时间片：决定进程下次被调度的顺序和可占用 CPU 的时长。进程控制块（PCB）指针：上下文的所有信息最终都存储在 PCB 中，切换时直接操作 PCB 即可。

总之，进程上下文就是进程运行的完整现场快照，核心目的是让进程被切换后重新调度时，能无缝衔接上次的执行状态，就像从未被打断过一样。

3、cpu中的寄存器是什么？

CPU 寄存器是CPU 内部的高速存储单元，用于临时存放进程运行的关键数据（属于进程上下文的核心部分），特点是速度远快于内存，主要作用是支撑进程的高效执行：

和进程的关系：寄存器里存的是当前进程的临时数据，属于进程上下文的一部分 —— 进程切换时，这些数据会被保存到 PCB，恢复时再加载回寄存器，确保进程能无缝续跑。

【问题】：为什么函数返回值会被外部拿到？

函数执行完return a（对应mov eax 10）后，外部代码会把寄存器（如 EAX）中的值 “拷贝” 到自己的变量中—— 比如外部写int b = func()，汇编层面会执行mov b, eax，把 EAX 里的返回值拷贝到变量b的内存地址中。

【问题】：系统如何知道进程当前执行到哪行代码？

靠程序计数器（PC/EIP 寄存器）：这个寄存器专门记录 “当前进程正在执行的指令的下一行指令地址”；进程运行时，CPU 会根据 PC/EIP 的地址取指令执行；进程切换时，PC/EIP 的值会随上下文保存，恢复时就能精准回到上次的执行位置。

4、如何进行进程切换？

【小故事】：学生当兵

你是个大二高个男生，某天在食堂门口瞥见 “大学生士兵招募” 的海报 —— 服役一年就能返校接着读书，你揣着好奇报了名，居然一路通关选上了。

兴奋冲昏了头，你踹开宿舍门吼：“哥几个，我去当兵了！明年见！” 转身就走 —— 可转念一想：这一年不上课、不考试，回来怕是要被退学。

赶紧找辅导员救命，他一拍桌子：“得先办‘保留学籍’！” 第二天，他塞给你个牛皮档案袋，沉甸甸的：“这里面是你这学期的成绩单、学到哪章的进度表，还有你的学籍信息 ——这袋东西就是你的‘全部家底’，退伍回来必须原封不动给我，我才能把你‘接回’大二。”

揣好档案袋，你才算踏实入伍。

一年后扛着行李返校，没急着进教室，先攥着档案袋找辅导员 —— 他对着袋里的进度表核对半天，把你塞进了这届大二的班级：“跟上，从你去年停的那章接着学。”

这个事儿，和操作系统里的 “进程切换” 简直是一个模子刻的：

☋. 你 = 进程：是要干的 “活儿”（你学知识，进程算数据）；

☋. 那个档案袋 = 进程上下文：装着你 “接着干” 的所有信息（档案袋存学习进度，上下文存寄存器、执行位置）；

☋. 办保留学籍 = 保存上下文：先把 “干活的状态” 存好；

☋. 去当兵 = 进程离开 CPU：暂时停下，把核心资源让出去；

☋. 返校复学 = 恢复上下文：把存好的状态调出来，接着从上次停的地方干。

说白了，进程切换不是 “说停就停、说开就开”—— 得先把 “干活的摊子” 收好，腾地方，回来再原样摆开接着干，就像你揣着档案袋去当兵，回来还能续上大二的课。

【进程切换核心步骤】

1、保存当前进程上下文：进程离开 CPU 时，将其寄存器、PC、内存映射等信息写入自身 PCB（相当于 “存档案”）

2、调度器选择目标进程：由进程调度器从运行队列队列中选一个待执行的进程

3、恢复目标进程上下文：从目标进程的 PCB 中，把之前保存的信息加载回 CPU 寄存器、更新内存页表（相当于 “取档案恢复状态”）

4、CPU 执行目标进程：目标进程从上次暂停的位置继续运行

------------环境变量------------

1、环境变量概念

环境变量，是操作系统为进程提供的一组 KV 键值对

格式：变量名 = 变量值（键名通常大写，值可是字符串、路径或路径列表）。

作用：动态传递配置（如路径、身份标识），替代硬编码，适配不同环境。

特点：全局可见（进程可继承）、可临时 / 永久修改，系统自带或用户自定义均可。例：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。

问题 1：为什么系统指令不用加./就能直接执行，自己写的指令却需要？

因为系统中有PATH环境变量，它存储了系统指令的默认搜索路径；执行指令时，系统会依次在PATH的路径中查找，找到对应程序就直接执行（系统指令在PATH路径里，所以不用加./）；而自己写的指令不在PATH默认路径中，所以需要用./指定当前目录。

问题 2：如何查看环境变量？

echo $NAME（你的环境变量名称）

例：在终端执行echo $PATH，即可显示PATH中所有的默认搜索路径（多个路径用冒号:分隔）。

问题 3：如何让自己写的指令不用加./就能执行？

将指令目录加入PATH（临时生效）：

export PATH=$PATH:指令目录绝对路径

$PATH：保留原有路径

:：分隔路径

指令目录：新增搜索路径

此时直接输入 mytest，无需加 ./ 即可执行，输出结果为 “我是一个进程：PID：15019”—— 这说明自定义指令已能通过 PATH 搜索到并正常运行。

问题 4：不小心覆盖了系统指令的默认搜索路径，怎么恢复？

只需重新登录 Xshell 即可恢复 —— 因为临时修改的PATH仅在当前终端会话生效，会话关闭（重新登录）后会自动加载系统默认的PATH配置。

Linux 终端启动时，会从/etc/profile（系统级配置文件）、~/.bashrc（用户级配置文件）等配置文件加载默认PATH到内存。临时修改PATH仅在当前终端内存生效（未改配置文件），关闭 / 重启终端后，新会话会重新加载配置文件里的默认PATH，临时修改失效。

问题 5：为什么登录系统后会直接进入家目录？

因为$HOME环境变量记录了当前用户的家目录路径；系统登录流程会自动读取$HOME的值，然后切换到对应的目录（比如 root 用户的$HOME是/root，普通用户的$HOME是/home/用户名）。

问题6：echo $SHELL输出/bin/bash是什么意思？它的核心作用？

$SHELL是记录当前用户默认 Shell 程序的环境变量，输出/bin/bash表示：当前用户登录后默认用bash（程序路径为/bin/bash）进行命令交互。

env命令

作用：用于查看当前终端的所有环境变量

核心环境变量表格

环境变量名	核心作用	示例值	实用场景
PATH	系统搜索可执行命令的路径列表，决定输入命令时系统去哪里找程序	/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin	1. 不用加./ 直接执行自定义程序（需把程序路径加入 PATH）；2. 系统指令（如 ls/cd）能直接执行的核心原因
HOME	当前用户的家目录路径，登录后默认进入的目录	/home/ljh（普通用户）、/root（root 用户）	1. cd ~/cd $HOME 一键回到家目录；2. 存储用户个人配置文件（如.bashrc）
SHELL	当前用户默认使用的 Shell 解释器路径	/bin/bash（最常用）、/bin/zsh	决定终端的命令交互规则（如语法、快捷键），新手主要用 bash
USER	当前登录的用户名	ljh、root	区分当前操作的用户身份，权限相关操作（如 sudo）会用到
PWD	当前所在的工作目录路径	/home/ljh/code-under-linux/Test-course	等同于 pwd 命令的输出，脚本中可动态获取当前目录
LANG	系统语言 / 字符编码设置	en_US.utf8、zh_CN.utf8	决定终端 / 程序的字符显示格式（避免中文乱码）
TERM	终端类型，适配终端的显示 / 交互规则	xterm-256color	确保终端能正常显示颜色、光标、快捷键等（Xshell/SSH 登录时自动适配）
LOGNAME	当前登录用户的名称（和 USER 基本一致）	ljh	脚本中判断当前操作用户身份
OLDPWD	上一次所在的工作目录路径	/home/ljh	执行 cd - 可一键回到上一次的目录，新手快速切换目录常用
PS1	终端命令行提示符的格式（决定 [ljh@localhost ~]$ 这类显示）	[\u@\h \W]$	自定义提示符样式（如显示当前路径、用户名），新手了解无需修改
HISTSIZE	控制终端保存的历史命令数量，是 “按上下键调取历史指令” 的功能源头	3000	1. 按↑/↓键快速调取之前执行过的命令；2. 调整数值可增加 / 减少历史命令的存储条数

环境变量如何被组织？

每个程序都会收到一张环境变量表，环境变量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

2、命令行参数

我们编写代码时写的 main 函数实际是有参数的，只不过我们先前用不到罢了 —— 而这些参数，对应的就是命令行参数：比如在终端执行./mytest arg1 arg2时，程序名./mytest后面跟着的arg1、arg2，就是命令行参数。这些内容会被传递给 main 函数的参数，让程序能根据输入的不同参数，执行对应的逻辑。

int argc（argument count）是记录终端执行程序时传入的命令行参数总数（程序名自身算第 1 个参数）

char* argv[]（argument vector）是存储终端传入命令行参数的字符串数组，argv[0]是程序名 / 路径，argv[1]及以后是用户传入的参数，元素总数对应argc。

在 C 语言的char* argv[]数组中（该数组也被称为 “命令行参数表”），无论参数数量是多少，argv的最后一个有效元素的下一个位置（即argv[argc]）会被系统自动初始化为 NULL。

执行./test a b c时，argv数组会按顺序存：argv[0]="./test"（程序名）、argv[1]="a"、argv[2]="b"、argv[3]="c"（空格是参数分隔符，共拆成 4 个字符串）。

既然 main 函数可以接收 argc 和 argv 参数，这就直接证明 main 函数并非程序运行的 “原生起点”—— 程序启动时，操作系统先调用启动函数（如Startup()或CRTStartup()，不同编译环境命名略有差异），由这些启动函数完成程序运行前的基础初始化（比如内存分配、运行环境配置），最终再由启动函数主动调用 main 函数，并将命令行参数封装为 argc 和 argv 传递给它。

问题：为什么要让 main 函数支持命令行参数（argc/argv）？

核心是为指令、工具、软件等提供命令行选项的支持—— 通过在执行程序时传入不同参数，能让同一个程序实现不同功能。比如ls -l（ls是程序，-l是命令行参数），传入-l就能让ls以详细列表形式显示文件，不传则是默认格式，灵活适配不同使用场景。

如果想实现多选项，可以用循环遍历所有参数 + 逐个匹配判断，示例代码：

#include <stdio.h> #include <string.h> int main(int argc, char* argv[]) { // 1. 无参数时打印用法提示（argc=1 表示只有程序名） if (argc == 1) { printf("Usage: %s -[a|b|c|d] [多个参数可叠加]\n", argv[0]); printf("示例: %s -a -b -c\n", argv[0]); return 1; // 退出程序，避免后续逻辑执行 } // 2. 遍历所有传入的参数（i从1开始，跳过argv[0]程序名） for (int i = 1; i < argc; i++) { // 逐个判断参数，匹配则执行对应功能 if (strcmp(argv[i], "-a") == 0) { printf("执行功能1（参数-a）\n"); } else if (strcmp(argv[i], "-b") == 0) { printf("执行功能2（参数-b）\n"); } else if (strcmp(argv[i], "-c") == 0) { printf("执行功能3（参数-c）\n"); } else if (strcmp(argv[i], "-d") == 0) { printf("执行功能4（参数-d）\n"); } else { // 3. 识别到非法参数时提示，并继续处理其他参数 printf("警告：无效参数 %s，仅支持 -a/-b/-c/-d\n", argv[i]); } } return 0; }

环境变量参数

实际上，我们也可以通过main函数的环境变量参数（如char *envp[]），获取当前程序所在 bash 进程的所有环境变量。

envp和argv是同类型的字符指针数组（都属于 “参数向量表”），envp对应的是环境变量表；由于环境变量的数量不固定，所以需要通过envp末尾的NULL指针来判断遍历的结束。

3、如何获取和设置环境变量？

问题：如何获取环境变量？

前面已经讲了 3 种获取环境变量的方式：

1、终端中通过echo命令（如echo $PATH），直接打印单个环境变量的值；

2、终端中通过env命令，查看所有环境变量的列表；

3、C 程序中通过main函数的环境变量参数（如char *envp[]），在代码中获取环境变量。

接下来我再讲解一种通过C语言接口获取环境变量的方法。

问题：如何设置环境变量？

1、临时添加环境变量（仅当前终端会话生效）

语法：

export 环境变量名=值

示例：

说明：export标记变量为环境变量（子进程可继承），关终端后失效。

2、永久添加环境变量（所有终端会话生效）

需将设置指令写入 Shell 配置文件（以 Bash 为例）：

编辑配置文件：

echo 'export 环境变量名=值' >> ~/.bashrc

示例：

echo 'export MYENV="hello world"' >> ~/.bashrc

✅ 当前终端进程想用新配置 → 必须执行 source ~/.bashrc（相当于 “给当前 Shell‘刷新内存’”）；

✅ 不想执行 source → 直接关闭当前终端，重新打开新终端即可（新终端启动时会自动读取修改后的~/.bashrc）。

3、临时取消（仅当前终端生效，关闭终端即失效）

# 取消单个环境变量（比如你设置的MYENV） unset MYENV # 验证是否取消：输出为空则成功 echo $MYENV

如果想临时清空某个环境变量的值（而非彻底取消），可以直接赋值为空：

# 仅清空值，变量仍存在（不推荐，容易踩坑） # 验证：输出为空，但变量还在 env | grep MYENV # 仍能看到MYENV=

4、永久取消（所有终端生效，需删除配置文件中的定义）

针对你之前写到~/.bashrc里的export MYENV="hello world"，操作步骤：

# 用vim打开~/.bashrc vim ~/.bashrc # 操作步骤： # 1. 按G跳到文件最后一行 # 2. 找到你添加的export MYENV="hello world"这一行 # 3. 按dd删除该行（或在行首加#注释掉） # 4. 按ESC → 输入:wq 保存退出

让修改生效：

# 刷新当前终端的配置（立即永久取消，不想用该指令重新打开终端也会生效） source ~/.bashrc # 验证：无论当前终端/新终端，echo $MYENV 都为空 echo $MYENV # 输出空

注意：上述所有操作只针对当前用户

4、环境变量的性质

< 继承性 >

环境变量的继承性，是指父进程设置的环境变量，会自动传递给它启动的子进程：比如 Shell（父进程）用export定义的环境变量，它运行的程序（子进程）能通过getenv等方式读取到这个变量的值，实现环境配置的传递。

< 全局属性 >

环境变量的全局属性，指其在指定范围（系统级 / 用户级）内对所有终端、所有进程均有效且可继承的生效特性。

子进程会继承父进程的环境变量：

子进程对环境变量的修改不影响父进程：

问题：为啥子进程修改环境变量不影响父进程？

这是因为进程的环境变量是 “复制继承” 而非 “共享”，底层逻辑是：当父进程创建子进程时，会把自己的环境变量完整复制一份给子进程 —— 子进程拿到的是 “副本”，不是和父进程共享同一份数据。

< 本地变量 >

本地变量是仅在当前 Bash 进程内生效的变量（不加export的变量），不会被 Bash 的子进程继承。

证明本地变量不会被继承：

< 内建命令和常规命令 >

之前我们认为 “所有命令都会以 Bash 进程的子进程形式执行”，这个说法其实不准确。实际使用中，Shell 命令可以分为两类：常规命令和内建命令。

常规命令

常规命令的执行，是通过创建子进程来完成的—— 这些命令是独立的程序，Bash 会启动一个新的子进程，让子进程去运行这个程序，程序跑完子进程就结束。

内建命令

内建命令的执行，Bash 不会创建子进程，而是由 Bash 自己直接执行 —— 相当于 Bash 调用了自己内置的功能（类似 Bash 自己写好的函数），不用额外开新进程。

执行./test（常规命令）时，Bash 会创建子进程，但父进程的本地变量不会传给子进程，所以./test读不到MYENV；

而echo是内建命令，执行时 Bash 不会开子进程，直接在自身进程内运行，因此能访问到父进程的本地变量，所以echo $MYENV能输出123。

< 模拟`cd`内建指令 >

在 Shell 中，cd是内建指令，它的底层是通过chdir系统调用函数实现的。

chidr函数

原型：int chdir(const char *path);

功能：修改当前进程的工作目录

参数：path为目标路径（支持绝对 / 相对路径）

返回值：成功返回 0；失败返回 - 1 并设置errno标识错误

#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main(int argc, char *argv[], char *envp[]) { sleep(20); // 延迟，方便观察进程状态 printf("change begin\n"); if (argc == 2) // 接收命令行参数作为目标路径 { chdir(argv[1]); // 调用chdir修改当前进程的工作目录 } sleep(20); return 0; }

第一次（change begin前）：指向的是原目录/home/lih/code-under-linux/Test-course；

第二次（change begin后）：指向的是目标目录/home/lih—— 说明chdir确实成功修改了子进程的工作目录！

ls -ld /proc/[进程ID]/cwd

作用：查看cwd（进程工作目录的软链接）自身信息

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