Linux 底层核心精讲：环境变量、命令行参数与程序地址空间全解析----《Hello Linux!》(7)

文章目录

前言
环境变量
main函数的命令行参数
常规命令和内建命令
程序地址空间
- 进程地址空间
- 虚拟地址和物理地址间的关系
作业部分

前言

环境变量是程序运行的 "隐形配置"，程序地址空间是进程访问内存的 "底层规则"，这两类知识点是打通 Linux 系统底层逻辑的关键纽带。理解它们不仅能解释 "为什么命令能直接运行""进程如何安全访问内存" 等核心问题，更能为编写灵活的命令行工具、排查内存相关问题提供底层支撑。

本文将从环境变量的概念、常用指令与系统调用入手，逐步延伸到 main 函数的命令行参数用法、常规命令与内建命令的区别，最终深入程序地址空间的布局、虚拟地址与物理地址的映射原理（含页表、写时拷贝等核心机制）。全文兼顾理论深度与实操性，每个知识点都配套具体指令示例，文末还附上高频习题及解析，帮助读者夯实基础、检验学习成果。无论你是刚接触 Linux 的初学者，还是想深耕底层的开发者，都能通过本文理清从 "环境配置" 到 "内存管理" 的完整逻辑链。

环境变量

概念: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

不同的环境变量有不同的用途，通常具有全局属性

--这里的全局属性意思是可以被子进程继承
bash本身在启动的时候，会从操作系统的配置文件中读取环境变量信息

--每次启动，环境变量都会被重置

--父进程的环境变量变了，子进程会跟着变

常见的环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径

HOME : 指定用户的主工作目录

SHELL : 当前shell,它的值通常是/bin/bash

HISTSIZE：history能保存之前使用指令的最大条数

SSH_TTY:终端设备的路径（SSH远程登陆的话会有）
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比如:把一个终端设备的这个改成另一个,再echo hello 就会输出到另一个终端上
USER和LOGNAME(这俩没啥区别)：代表当前登录的用户是谁

PWD:表示当前的路径(修改这个不会改变现在在哪个路径哈)

OLDPWD:通过 cd 命令切换目录时，标记上一次的路径

和环境变量相关的指令

echo: 显示某个环境变量值
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echo $PATH      不能没有这个$!
export: 设置一个新的环境变量
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export 变量名=值
env: 显示所有环境变量(想只看一个的话就grep那样)

unset: 清除环境变量
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unset 变量名
set: 显示所有本地变量和环境变量

修改环境变量:eg:PATH=$PATH:/home/renshen
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等号两边不能有空格    不能写成PATH=/home/renshen,会对PATH里面内容进行覆盖的

引申:本地变量--只在当前bash进程里有效
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创建方法:   变量名=值 
本地变量转变成环境变量:export 变量名(不用加=值)

通过系统调用获取或设置环境变量

系统调用:getenv putenv
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比如: printf("%s",getenv("PATH"));这样就能获取环境变量了

引申:chdir这个系统调用可以改路径

main函数的命令行参数

其实main函数是int main(int argc, char *argv[],char *env[]);

第一个参数是接受到的命令行参数的总个数(包括程序名)

第二个参数是命令行参数（最后一个位置会放一个nullptr）

--命令行的指令当字符串传过来的

第三个参数是环境变量数组

--在进程进行时，都会被传入两张核心向量表--命令行参数表和环境变量表

--所以，不要char *env[]也行，直接在代码里extern char **environ--env怎么用，这个也怎么用,eg：envirion[0]--这个全局变量指向环境变量表(不用头文件)
main函数这样设置的目的--为指令，工具，软件等提供命令行选项的支持
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比如传入 ./text -c
接收到后就可以   if(参数是-c)就.....

常规命令和内建命令

常规命令:通过bash创建子进程执行

内建命令:bash不创建子进程，自己亲自执行--类似bash调用系统提供的函数 --比如echo

程序地址空间

进程地址空间

这是进程地址空间的分配图

最下面地址是00000000 最上面是FFFFFFFF（32位的话）

Linux里面这个叫做线性地址或者虚拟地址(线性地址和虚拟地址不是一个东西哈)
堆里面存放的是动态开辟的空间

栈里面存放的是局部变量等

未初始化全局变量和已初始化全局变量共同组成了全局数据区

栈区的上方还有命令行参数环境变量区(这个是低地址向高地址长的)

引申:static修饰的局部变量在编译的时候会被编译到全局数据区
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     `eg: char * str = "abc"; *str = 'a'是不行的，因为str在从字符常量区了，不允许修改`

这里的存放并非真实的存放哈，只是存的地址映射,真正的东西存放在物理内存里面

在调试的时候查看内存就是看的这个虚拟内存的地址;物理地址用户是看不到的
关于进程地址空间的大小:(32位计算机的话)

操作系统给每个进程都假装许诺给他4GB的内存--但是其实上是进程需要多少空间，操作系统才给多少(其实进程全部加起来一共只有4GB能用)
问题:

1.什么是地址空间

本质是一个描述进程可视范围的大小的内核的一个数据结构对象，跟PCB差不多

(也是先描述再组织)

2.如何理解地址空间上的区域划分

其实就是搞了个结构体，里面存这个地址范围的begin end;对空间的区域增大减少其实也就是把begin和end改了

在这个地址范围内，这个连续的空间中的每一个最小单位都可以有地址，这个地址可以被这部分直接使用

3.32 位地址总线为什么能支持最大 4GB 内存寻址

32位地址总线一共32根，每根的状态只有0或1，所以就是2的32次方，然后一个地址对应着1个字节的空间--所以就是4GB -- 所以操作系统给进程地址空间画饼的大小是4GB的内存
进程地址空间的意义:

1.让进程以统一的视角看待内存

2.有了进程地址空间可以让我们在访问内存时，增加一个转换的过程--在这个转换过程中，可以对寻址请求进行审查，所以进行异常访问的话，就会被直接拦截，这个请求就不会到物理内存那里--保护了物理内存的安全

3.有地址空间和页表的存在，将进程管理模块和内存管理模块进行了解耦合(就是降低依赖关系)

--进程具有独立性的原因

虚拟地址和物理地址间的关系

每一个进程都有自己的一个进程地址空间

父进程和子进程的进程地址空间也是分开的--但是页表部分是一样的,但是如果进行了修改操作的话，页表的虚拟地址和物理地址的对应关系就变了

（这其实也是父子进程代码可以共享的原因）
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比如:子进程修改了一个值，那就会在物理内存上给他开辟一块空间去存，然后把页表的物理地址给改了
在父进程没有分出子进程时，页表里面可读可写的部分会在分出子进程之后全部变成只读部分--eg:父进程如果想改值，也会触发写时拷贝
问题:进程怎么找到自己的页表

cpu里面有个cr3寄存器会存储当前进程的页表地址(操作系统写入的,这里存的是物理地址哈) 上一个进程的页表可以通过进程控制块的mm_struct找到

所以对进程的认知进一步加深了:

1.进程的内核数据结构包括task_struct和mm_struct和页表

2.进程在被创建的时候是先创建的内核数据结构，再加载对应的可执行程序
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引申:操作系统对大文件是进行的分批加载(也就是惰性加载的方式)
实现的可行性:
在对大文件进行操作时，程序访问大文件对应的数据产生虚拟地址。
如果该虚拟地址没有对应物理地址，就会触发缺页中断。
操作系统接收到缺页中断后，根据文件的存储信息，
从磁盘中将所需数据加载到内存，这就实现了大文件的分批加载   --(缺页中断就会这么处理)
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写时拷贝也是缺页中断!
--因为共享部分被标记成只读，想写的话就会触发异常,然后导致缺页中断

引申：CPU里面的cr2寄存器会存储引出缺页中断的虚拟地址

作业部分

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不属于冯诺依曼体系结构必要组成部分是：（B）
A.CPU//运算器与控制器
B.Cache//缓存（一种技术）
//是为了缓解 CPU 与内存之间的速度差异，属于体系结构的优化补充，而非必须的核心组成部分
C.RAM//属于存储器
D.ROM//属于存储器

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冯诺依曼体系结构计算机的基本原理是(D)
A.信息存储
B.存储智能
C.数字控制
D.存储程序和程序控制

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系统调用函数的执行过程应该是在用户态(错)
应该是系统调用的运行过程是在内核态完成的

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 系统感知进程的唯一实体是(B)
A.进程id
B.进程控制块
C.进程管理器
D.进程名

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在抢占式多任务处理中，进程被抢占时，哪些运行环境需要被保存下来？(ACD)
[多选]
A.所有cpu寄存器的内容//cpu上正在处理的数据
B.全局变量
C.页表指针//程序切换时会将页表起始地址加载到寄存器中
D.程序计数器

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关于僵尸进程，以下描述正确的有（A）
A.僵尸进程必须使用waitpid/wait接口进行等待
B.僵尸进程最终会自动退出
C.僵尸进程可以被kill命令杀死
D.僵尸进程是因为父进程先于子进程退出而产生的

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以下关于孤儿进程的描述正确的有(AC)
A.父进程先于子进程退出，则子进程成为孤儿进程
B.孤儿进程会产生资源泄漏
C.孤儿进程运行在系统后台
D.孤儿进程没有父进程

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以下描述错误的是(D)
A.守护进程：运行在后台的一种特殊进程，独立于控制终端并周期性地执行某些任务。
B.僵尸进程：一个进程 fork 子进程，子进程退出，而父进程没有 `wait`/`waitpid`子进程，那么子进程的进程描述符仍保存在系统中，这样的进程称为僵尸进程。
C.孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，这些子进程称为孤儿进程。（孤儿进程将由 init 进程收养并对它们完成状态收集工作）
D.精灵进程：精灵进程退出后会成为僵尸进程

引申:守护进程和精灵进程其实是一个东西

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使用shell时，默认的环境变量放在哪里(A)
A.~/.bash_profile
B.~/.bash
C./etc/profile.d
D.~/bash

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以下描述正确的有 [多选](AC)
A.子进程默认会复制拥有与父进程相同的环境变量
B.环境变量使shell运行环境配置变的更加复杂//可以使运行环境的配置更加灵活简单
C.环境变量可以使用export命令设置
D.删除一个环境变量可以使用unset和rm命令

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在CPU和物理内存之间进行地址转换时，（B）将地址从虚拟（逻辑）地址空间映射到物理地址空间 
A.TCB//线程控制块
B.MMU//内存管理单元
C.CACHE//高速缓冲存储器
D.DMA//直接内存访问(不经过CPU)