Linux：环境变量 & 进程虚拟地址空间

第一章 命令行参数和环境变量

1.1 什么是环境变量

环境变量是操作系统指定运行环境的参数，具备全局特性。

例子：编译 C 程序，编译器能自动找到库文件，就是依靠环境变量完成查找。

1.2 常见环境变量

环境变量	作用
PATH	命令搜索路径，系统在这里查找可执行程序
HOME	用户家目录，~就对应 HOME 的值
SHELL	当前使用的 shell 程序，一般是/bin/bash

1.3 Linux 操作环境变量的指令

echo $NAME      # 打印环境变量
export 变量名=值 # 设置环境变量
env             # 查看全部环境变量
unset NAME      # 删除环境变量
set             # 查看shell本地变量+环境变量

PATH 小实验

我们自己写的程序hello，必须./hello才能运行，直接敲hello找不到程序。 原因：系统只会在PATH记录的目录下搜索命令，当前目录不在 PATH。

# 把当前目录追加进PATH
export PATH=$PATH:$(pwd)
# 之后就可以直接 hello 运行程序

1.4 程序内部获取环境变量的三种方式

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

1.main 第三个参数 env ：字符指针数组，每一项指向环境字符串，以NULL结尾

#include <stdio.h>
int main(int argc,char *argv[],char *env[])
{
    int i=0;
    for(;env[i];i++){
        printf("%s\n",env[i]);
    }
    return 0;
}

2.全局变量 environ environ没有头文件，需要 extern 声明

#include <stdio.h>
extern char **environ;
int main(){
    int i=0;
    for(;environ[i];i++){
        printf("%s\n",environ[i]);
    }
    return 0;
}

3.系统调用 getenv () /putenv ()（推荐，只取指定变量）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    char *path = getenv("PATH");
    printf("PATH=%s\n", path);
    return 0;
}

4.5 环境变量的全局属性

使用 export 导出的环境变量，可以被子进程继承。

• 直接写MYENV="123"：只是 shell 本地变量，子进程看不到
• export MYENV="123"：升级成环境变量，fork 创建子进程会继承这份环境表

原理：fork 复制父进程地址空间，环境表在父进程地址空间，子进程拷贝一份，所以子进程可以拿到。

4.6 本地变量 vs 环境变量总结

1. 本地 shell 变量：仅当前 shell 可见，子进程不可见
2. export 导出 → 环境变量，子进程继承
3. 持久化：写到~/.bashrc、~/.bash_profile文件，登录自动加载。

第二章 程序地址空间（进程虚拟地址空间）

重点：C 语言看到的所有地址，全部是虚拟地址，不是物理内存地址。

2.1 32 位 Linux 进程虚拟地址空间布局

32 位总空间 4GB：用户空间 3G，内核空间 1G（所有进程共享）

从低地址到高地址：

1. 正文代码段 (.text)：程序二进制指令，只读
2. 初始化数据段 (.data)：已经初始化全局变量
3. 未初始化数据段 (.bss)：未初始化全局变量，程序加载自动置 0
4. 堆 (heap) ：malloc/new向上增长
5. 共享区 mmap：动态库.so、文件映射
6. 栈 (stack)：局部变量，函数栈帧，向下增长
7. 命令行参数、环境变量
8. 内核空间 1G：用户态无法直接访问

C 代码可以打印各段地址，验证布局：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int g_uninit;    // bss
int g_init=100;  // data

int main()
{
    printf("代码main地址:%p\n", main);
    printf("初始化全局:&g_init=%p\n",&g_init);
    printf("未初始化全局:&g_uninit=%p\n",&g_uninit);

    int *p = malloc(10);
    printf("堆地址 p=%p\n",p);

    int local = 10;
    printf("栈地址 &local=%p\n",&local);

    const char *s = "hello";
    printf("只读字符串 %p\n",s);
    return 0;
}

2.2 fork 写时拷贝实验，理解虚拟地址

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int g_val = 0;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0){
        //子进程
        g_val = 100;
        printf("child: g_val=%d, &g_val=%p\n",g_val,&g_val);
    }else{
        sleep(3);
        printf("parent: g_val=%d, &g_val=%p\n",g_val,&g_val);
    }
    return 0;
}

输出现象：

child: g_val=100, &g_val=0x... parent: g_val=0, &g_val=同一个地址

核心结论：

1. C 语言打印出来的地址是虚拟地址，不是物理内存地址。
2. 父子进程虚拟地址完全相同，但是页表映射到不同的物理内存。
3. fork 默认共享物理内存；发生修改时触发写时拷贝，复制一份物理内存给子进程。

2.3 Linux 内核如何描述进程地址空间

1. task_struct：PCB 进程控制块，里面有指针 struct mm_struct *mm
2. mm_struct：内存描述符，专门描述这个进程整个虚拟地址空间
   • 记录各个段起止地址：start_code / end_code / start_brk / brk / start_stack
   • 维护虚拟内存区域两种结构：链表mmap、红黑树mm_rb
3. vm_area_struct：每一个对象代表一块独立虚拟内存区域（VMA）。
   • vm_start、vm_end：这块虚拟区间起止
   • vm_flags：权限（读写执行、共享私有）
   • vm_file：映射的磁盘文件（动态库、可执行程序）