1. 写时复制

add: 2019-12-26

第一代Unix系统实现了一种傻瓜式的进程创建：当执行fork系统调用时，内核复制父进程的整个用户空间并把复制得到的那一份分配给子进程。这种行为时非常耗时的，因为它需要完成以下几项任务：

  • 为子进程的页表分配页面
  • 为子进程的页分配页面
  • 初始化子进程的页表
  • 把父进程的页复制到子进程对应的页中

写时复制（copy-on-write）是一种可以推迟甚至避免复制数据的技术。内核此时并不是复制整个进程空间，而是让父进程和子进程共享同一个副本。只有在需要写入的时候，数据才会被复制，从而使父进程、子进程拥有各自的副本。也就是说，资源的复制只有在需要写入的时候才进行，在此之前以只读方式共享。这种技术使得对地址空间中的页的复制被推迟到实际发生写入的时候。有时共享页根本不会被写入，例如，fork()后立即调用exec()，就无需复制父进程的页了。fork()实际开销就是复制父进程的页表以及给子进程创建唯一的PCB。这种优化可以避免复制大量根本就不会使用的数据

1.1. Linux下的copy-on-write

在说明Linux下的copy-on-write机制前，我们首先要知道两个函数：fork()和exec()。需要注意的是exec()并不是一个特定的函数, 它是一组函数的统称, 它包括了execl()、execlp()、execv()、execle()、execve()、execvp()。

1.1.1. 简单来用用fork

首先我们来看一下fork()函数是什么鬼：

fork is an operation whereby a process creates a copy of itself.

fork是类Unix操作系统上创建进程的主要方法。fork用于创建子进程(等同于当前进程的副本)。

  • 新的进程要通过老的进程复制自身得到，这就是fork！

如果接触过Linux，我们会知道Linux下init进程是所有进程的爹(相当于Java中的Object对象)

  • Linux的进程都通过init进程或init的子进程fork(vfork)出来的。

下面以例子说明一下fork吧：


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

int main ()   
{   
    pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值  
    int count=0;

    // 调用fork，创建出子进程  
    fpid=fork();

    // 所以下面的代码有两个进程执行！
    if (fpid < 0)   
        printf("创建进程失败!/n");   
    else if (fpid == 0) {  
        printf("我是子进程，由父进程fork出来/n");   
        count++;  
    }  
    else {  
        printf("我是父进程/n");   
        count++;  
    }  
    printf("统计结果是: %d/n",count);  
    return 0;  
}

得到的结果输出为：


我是子进程，由父进程fork出来

统计结果是: 1

我是父进程

统计结果是: 1

解释一下：

  • fork作为一个函数被调用。这个函数会有两次返回，将子进程的PID返回给父进程，0返回给子进程。(如果小于0，则说明创建子进程失败)。
  • 再次说明：当前进程调用fork()，会创建一个跟当前进程完全相同的子进程(除了pid)，所以子进程同样是会执行fork()之后的代码。

所以说：

  • 父进程在执行if代码块的时候，fpid变量的值是子进程的pid
  • 子进程在执行if代码块的时候，fpid变量的值是0

1.1.2. 再来看看exec()函数

从上面我们已经知道了fork会创建一个子进程。子进程的是父进程的副本。 exec函数的作用就是：装载一个新的程序（可执行映像）覆盖当前进程内存空间中的映像，从而执行不同的任务。

  • exec系列函数在执行时会直接替换掉当前进程的地址空间。

我去画张图来理解一下：

cow

1.1.3. Linux下的COW

fork()会产生一个和父进程完全相同的子进程(除了pid)

如果按传统的做法，会直接将父进程的数据拷贝到子进程中，拷贝完之后，父进程和子进程之间的数据段和堆栈是相互独立的。 cow

但是，以我们的使用经验来说：往往子进程都会执行exec()来做自己想要实现的功能。

  • 所以，如果按照上面的做法的话，创建子进程时复制过去的数据是没用的(因为子进程执行exec()，原有的数据会被清空)

既然很多时候复制给子进程的数据是无效的，于是就有了Copy On Write这项技术了，原理也很简单：

  • fork创建出的子进程，与父进程共享内存空间。也就是说，如果子进程不对内存空间进行写入操作的话，内存空间中的数据并不会复制给子进程，这样创建子进程的速度就很快了！(不用复制，直接引用父进程的物理空间)。
  • 并且如果在fork函数返回之后，子进程第一时间exec一个新的可执行映像，那么也不会浪费时间和内存空间了。

另外的表达方式：

在fork之后exec之前两个进程用的是相同的物理空间（内存区），子进程的代码段、数据段、堆栈都是指向父进程的物理空间，也就是说，两者的虚拟空间不同，但其对应的物理空间是同一个。

当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段分配物理空间。

如果不是因为exec，内核会给子进程的数据段、堆栈段分配相应的物理空间（至此两者有各自的进程空间，互不影响），而代码段继续共享父进程的物理空间（两者的代码完全相同）。

而如果是因为exec，由于两者执行的代码不同，子进程的代码段也会分配单独的物理空间。

Copy On Write技术实现原理：

fork()之后，kernel把父进程中所有的内存页的权限都设为read-only，然后子进程的地址空间指向父进程。当父子进程都只读内存时，相安无事。当其中某个进程写内存时，CPU硬件检测到内存页是read-only的，于是触发页异常中断（page-fault），陷入kernel的一个中断流程。中断流程中，kernel就会把触发的异常的页复制一份，于是父子进程各自持有独立的一份。

Copy On Write技术好处是什么？

  • COW技术可减少分配和复制大量资源时带来的瞬间延时。
  • COW技术可减少不必要的资源分配。比如fork进程时，并不是所有的页面都需要复制，父进程的代码段和只读数据段都不被允许修改，所以无需复制。

Copy On Write技术缺点是什么？

  • 如果在fork()之后，父子进程都还需要继续进行写操作，那么会产生大量的分页错误(页异常中断page-fault)，这样就得不偿失。

几句话总结Linux的Copy On Write技术：

  • fork出的子进程共享父进程的物理空间，当父子进程有内存写入操作时，read-only内存页发生中断，将触发的异常的内存页复制一份(其余的页还是共享父进程的)。
  • fork出的子进程功能实现和父进程是一样的。如果有需要，我们会用exec()把当前进程映像替换成新的进程文件，完成自己想要实现的功能。

1.2. Redis的COW

基于上面的基础，我们应该已经了解COW这么一项技术了。

下面我来说一下我对《Redis设计与实现》那段话的理解：

  • Redis在持久化时，如果是采用BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF的方式，那Redis会fork出一个子进程来读取数据，从而写到磁盘中。
  • 总体来看，Redis还是读操作比较多。如果子进程存在期间，发生了大量的写操作，那可能就会出现很多的分页错误(页异常中断page-fault)，这样就得耗费不少性能在复制上。
  • 而在rehash阶段上，写操作是无法避免的。所以Redis在fork出子进程之后，将负载因子阈值提高，尽量减少写操作，避免不必要的内存写入操作，最大限度地节约内存。

1.3. 文件系统的COW

下面来看看文件系统中的COW是啥意思： Copy-on-write在对数据进行修改的时候，不会直接在原来的数据位置上进行操作，而是重新找个位置修改，这样的好处是一旦系统突然断电，重启之后不需要做Fsck。好处就是能保证数据的完整性，掉电的话容易恢复。

  • 比如说：要修改数据块A的内容，先把A读出来，写到B块里面去。如果这时候断电了，原来A的内容还在！

以上摘自:

cow

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