【Linux】环境变量和命令行参数

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- 一、环境变量

一、环境变量

1.1 基本概念

环境变量我们早已听说过，比如在学习 JAVA 或者 Python 的时候，会在 windows 上配置环境变量：

可环境变量到底是什么呢？

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。

这些参数通常有特殊的用途。
比如：我们在编写 C/C++ 代码的时候，在链接的时候，我们从来不知道我们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，环境变量在系统当中通常具有全局特性。

常见环境变量：

PATH：（当前用户）指定命令的搜索路径。
HOME：指定当前用户的主工作目录（即用户登陆到 Linux 系统中时，默认的目录）。
SHELL：当前 shell，即当前用户使用的命令行解释器的版本，它的值通常是 /bin/bash。
HISTSIZE：命令历史记录保存数量。（centos 6.7 默认是 3000 条）

命令 history 可以查看所有命令历史记录。搭配管道 history | wc -l 可以查看命令历史记录的行数。

1.2 查看环境变量

echo $PATH 命令，PATH 是环境变量的名称，查看指定环境变量。
env 命令，查看系统中所有的环境变量。

1.3 环境变量：PATH

思考：

我们编写的 C/C++ 代码，编译生成的可执行程序，是不是一个命令呢？—— 是的。
在 Linux 中，任何一个可执行程序，具有可执行权限(x)，就称之为它是一条命令。

其实我们听过的：程序、命令、指令、可执行程序等等，其实都是一个概念，是同一个东西。（⭐）

思考：

既然是同一个概念，那为什么我们运行 ls 等命令，不用带 ./ 当前路径，而运行我们自己的可执行程序 proc 必须要带 ./proc 当前路径呢？

分析：

环境变量 PATH 中保存的是指定命令的搜索路径。
因为 ls 等命令是在系统的特定路径下保存起来的。
而我们的 proc 命令没有保存在 PATH 指定的这些路径中，而系统执行命令只会在 PATH 指定的这些路径中搜索，所以系统找不到我们的 proc 命令，就报错了。

思考：

那有没有什么办法，可以让可执行程序 proc 不用带 ./ 当前路径就可以直接运行呢？

方法1：把 proc 拷贝到环境变量 PATH 指定的任一路径下。
方法2：把 proc 所在路径添加到环境变量 PATH 中。（注意：我们自己添加的环境变量，系统重启后不会被保存）
```
$ PATH=$PATH:/home/ll/xxx/10

# :冒号是分隔符
# 注意：PATH=/home/ll/xxx/10，不能这样写，必须加上$符号，否则会把PATH中所有内容覆盖掉
```
运行效果图：

注意：

如果我们不幸把环境变量给覆盖掉了，不用担心，环境变量既然是变量，说明它是可以被赋值的，即在用户登录的时候，通过用户目录下的配置文件赋值的，所以只需要重新登录下就好了。

比如：家目录下的 .bash_profile 文件，这些文件不建议自己去随意修改：

1.4 环境变量：HOME

分别在 root 和普通用户下执行 cd ~ 和 pwd 查看家目录，分别是 /root 和 /home/ll，为什么不一样呢？

是因为不同用户的家目录中的配置文件不一样，所以不同用户下的环境变量 HOME 也是不一样的：

[ll@VM-0-12-centos ~]$ echo $HOME # 指定用户的主工作目录
/home/ll
[root@VM-0-12-centos ~]$ echo $HOME
/root

1.5 和环境变量相关的命令

echo：显示某个环境变量值。
export：设置一个新的环境变量。
env：显示所有环境变量。
set：显示在本地 shell 内定义的变量和环境变量。（既能查看本地变量，也可以查看环境变量）
unset：清除环境变量。

1.6 通过 C 库函数获取环境变量：getenv

getenv 和 setenv 函数介绍：

#include <stdlib.h>
/*
* name: 环境变量的名称
* 返回值: 环境变量的内容
*/
char *getenv(const char *name); // 获取环境变量

int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite); // 更改或添加环境变量

👉 getenv 使用举例：

/* proc.c */
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h> // getenv

int main()
{
    printf("%s\n", getenv("PATH"));
    printf("%s\n", getenv("HOME"));
    printf("%s\n", getenv("SHELL"));
    return 0;
}

运行结果：在 bash 创建的子进程 proc 中成功获取到了环境变量。

⭐ 结论：

我们在命令行上运行的大部分命令，它们的父进程都是 bash。
bash 创建子进程，然后由子进程执行用户输入的命令。

1.7 环境变量 & 本地变量

在命令行中，我们通常可以定义两种变量：

环境变量（环境变量通常具有全局属性 ⭐：可以被子进程继承下去 ⭐）

环境变量实际上是在当前 bash 的上下文中定义的。

所以在当前命令行解释器 bash 内可以被访问到，在 bash 创建的子进程内也可以被访问到。
本地变量（只能在当前 shell 命令行解释器内被访问，不可以被子进程继承）
```
[ll@VM-0-12-centos 10]$ MY_VAL="hello world"  # 定义本地变量（在bash内定义的）
```
如何查看本地变量呢？和查看环境变量方式一样：
```
[ll@VM-0-12-centos 10]$ echo $MY_VAL  # 在当前命令行解释器bash内访问本地变量
hello world
```
👉 思考：如何证明本地变量不能被子进程继承
```
/* proc.c */
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h> // getenv

int main()
{
    printf("%s\n", getenv("MY_VAL"));
    return 0;
}
```
运行结果：段错误。

分析：

当我们输入 ./proc 后，bash 会创建子进程 来执行 proc 程序，但因为本地变量 MY_VAL 只能在当前 bash 内被访问，不能被其子进程继承，所以子进程中的 getenv("MY_VAL") 函数获取不到本地变量 MY_VAL，导致程序报错。

那该怎么办呢？—— 我们可以将本地变量 MY_VAL 设置成环境变量。
```
[ll@VM-0-12-centos 10]$ exprot MY_VAL  # 把本地变量MY_VAL导出成环境变量
```
导入成功：

再次运行程序：成功访问到了环境变量 MY_VAL。

👉 思考：

上面说到，我们在命令行上运行的大部分命令，都是 bash 创建子进程来执行的，而本地变量不能被子进程继承，那为什么使用 echo 命令，却可以访问本地变量呢？

1.8 命令行参数

① main 函数的参数列表

思考：main 函数可以带参数吗？能带几个参数呢？—— 可以带参，但大部分都是缺省。

👉 举个例子：

/*
* argc: 命令行参数的个数
* argv: 字符指针数组（指向各个命令行参数的字符指针所构成的数组）
*/
int main(int argc, char* argv[]) // 接收命令行参数
{
    for (int i = 0; i < argc; i++) {
        printf("argv[%d]: %s\n", i, argv[i]); // 遍历字符指针数组argv
    }
    return 0;
}

运行结果：字符数组中只有一个元素，就是我们输入的命令

[ll@VM-0-12-centos 10]$ ./proc
argv[0]: ./proc

如果再多输入几个参数，就能观察到如下运行结果：

[ll@VM-0-12-centos 10]$ ./proc agr1 arg2 arg3
argv[0]: ./proc
argv[1]: agr1
argv[2]: arg2
argv[3]: arg3

总结：

实际上我们输入的命令行参数，就是一个个的 C 字符串： ”./proc”、“arg1”、“arg2”、“arg3”，传给了 main 函数：

② 命令行参数的意义

思考：

为什么要存在命令行参数呢？—— 帮助我们能够，给同一个程序，设计出不同的业务功能。（⭐）

👉 举个小例子，比如我想要实现这样一个计算器：

如果输入 ./cal ，则会提示该程序的正确用法：Usage: ./cal -[a|s] x y；
输入 ./cal -a 1 2 ，cal 程序可以输出 1 + 2 的结果；
输入 ./cal -s 4 2 ，cal 程序可以输出 4 - 2 的结果。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h> // atoi -- 函数原型：int atoi(const char *nptr); // 将C字符串转换成整数
#include<string.h> // strcmp

// cal命令的用法手册
void Usage(const char* cal) {
    printf("Usage: %s -[a|s] x y\n", cal);
}

int main(int argc, char* argv[]) // 接收命令行参数
{
    // 输入的参数个数不为4
    if (argc != 4) {
        Usage(argv[0]);
        return 1; // 退出程序
    }

    // 保存第3个和第4个参数                                                      
    int x = atoi(argv[2]);
    int y = atoi(argv[3]);
    
    // 根据不同参数，执行不同功能，然后输出结果
    if (strcmp(argv[1], "-a") == 0) {                                            
        printf("%d + %d = %d\n", x, y, x + y); 
    }
    else if (strcmp(argv[1], "-s") == 0) {
        printf("%d - %d = %d\n", x, y, x - y); 
    }
    else {
        Usage(argv[0]);
        return 1; // 退出程序
    }

    return 0;
}

运行结果：

[ll@VM-0-12-centos 10]$ ./cal        # 命令使用手册
Usage: ./cal -[a|s] x y
[ll@VM-0-12-centos 10]$ ./cal -a 1 2 # 实现加法
1 + 2 = 3
[ll@VM-0-12-centos 10]$ ./cal -s 4 2 # 实现减法
4 - 2 = 2

③ 总结

命令行参数可以让同一个命令，通过带上不同的选项，表现出不同的功能和作用。比如：ls -l、ls -l -a、ls -l -a -i。这就是命令行参数的意义。
我们平常在 VS 中写代码，都知道程序是从 main 函数开始执行，那是谁调用的 main 函数呢？

编程者写的 main 函数被 void mainCRTStartup(void) 函数调用的，这个函数定义在 VS 安装目录的某个 .c 文件中（VS 的版本不同，存放的位置也不同），它会执行一些初始化操作，如从内核中获取命令行参数和环境变量值、初始化全局变量、初始化 IO 等等所需各项准备之后，为调用 main(argc, argv, env) 函数做好了准备。（⭐）
我们可以通过 main 函数的参数，可以传递命令行参数和环境变量。（⭐）

1.9 环境变量的组织方式

① 前言

main 函数除了可以传递两个和命令行参数相关的参数 argc 和 argv 以外，还可以传递第三个参数 env：

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

这也是 main 函数获取环境变量的方式。（⭐）

通过给 main 函数第三个参数传参，把一个个环境变量传递给当前程序，当前程序运行起来变成进程，就意味着当前这个进程获取到了这些环境变量。

每个被 bash 创建的子进程都会接收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以 ’\0’ 结尾的字符串（环境变量）。

② 通过 main 的第三个参数获取环境变量

/* proc.c */
#include<stdio.h>
#include<string.h>

int main(int argc, char* argv[], char* env[]) // 通过第三个参数接收环境变量
{
  for (int i = 0; env[i]; i++) {   // 循环结束条件为env[i]，遍历到NULL停止
    printf("env[%d]: %s\n", i, env[i]); // 遍历字符指针数组env
  }
  return 0;
}

运行结果：获取到了当前 bash 内的所有环境变量。（因为环境变量被 bash 创建的子进程 proc 继承下去了）

所以现在大家应该知道 C 库函数 getenv 的实现原理了，比如 printf("%s\n", getenv("PATH")); ，其实就是通过在字符指针数组 env 中进行字符匹配，找到 "PATH" 后面的内容并返回。

③ 通过全局变量 environ 获取环境变量（了解）

C/C++ 提供了一个全局二级指针变量 char** environ，指向存放环境变量地址的字符指针数组 char* env[]。

#include <stdio.h>
int main()
{
    extern char **environ;
    for (int i = 0; environ[i]; i++) {
        printf("%s\n", environ[i]); // 等价于 *(environ + i)
    }
    return 0;
}
// 注意：libc中定义的全局变量 environ 指向环境变量表，environ 没有包含在任何头文件中，所以在使用时要用extern声明

拓展：下面程序运行会报错吗？—— 不会。

#include<stdio.h>

void show() {
    printf("hello show\n");
}

int main()
{
    show(10, 20);
    return 0;
}

分析：10 和 20 这两个参数是传给了 show 函数，它们被压入了 show 函数栈帧中，实际上在 show 函数中是可以通过某些指针操作来获取到 10 和 20 的，只是比较复杂。上述程序中的二级指针 environ 一样的可以通过某种方式在 main 的压栈结构中指向传入的命令行参数 char* env[] （环境变量表），来获取到环境变量。