文章目錄

• 生猛干貨
• COW概述
• *Unix
• • fork
  • 函數(shù)族exec( )
• 為什么有了COW？
• COW 原理
• COW的優(yōu)缺點(diǎn)
• 小結(jié)
• 搞定Linux核心技術(shù)

生猛干貨

從系統(tǒng)安裝到程序員必備的Linux技能，還原真實(shí)工作場景，手把手帶你實(shí)戰(zhàn)演練

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COW概述

來看下 https://en.wikipedia.org/wiki/Copy-on-write的說明

Copy-on-write (COW), sometimes referred to as implicit sharing[1] or shadowing,[2] is a resource-management technique used in computer programming to efficiently implement a “duplicate” or “copy” operation on modifiable resources.[3] If a resource is duplicated but not modified, it is not necessary to create a new resource; the resource can be shared between the copy and the original. Modifications must still create a copy, hence the technique: the copy operation is deferred to the first write. By sharing resources in this way, it is possible to significantly reduce the resource consumption of unmodified copies, while adding a small overhead to resource-modifying operations.

寫入時復(fù)制（COW），有時也稱為隱式共享，是一種計(jì)算機(jī)管理中用來有效地對可修改資源執(zhí)行“復(fù)制”操作的資源管理技術(shù)。

如果資源重復(fù)但未修改，則無需創(chuàng)建新資源，資源可以在副本和原始副本之間共享。

修改仍然必須創(chuàng)建一個副本，因此使用COW，可以將復(fù)制操作推遲到第一次寫入。

通過以這種方式共享資源，可以顯著減少未修改副本的資源消耗，當(dāng)然了資源修改操作的時候也會增加少量開銷。

簡單來說 COW 寫時復(fù)制是提高資源使用效率的一種手段， 在內(nèi)存管理（進(jìn)程的 fork），數(shù)據(jù)存儲（ 比如 Docker 的 AUFS 文件系統(tǒng)），軟件開發(fā)(Java的Copy On Write容器)、高可用HA軟件中廣泛使用。

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*Unix

在傳統(tǒng)的Unix環(huán)境下，有兩個基本的操作用于創(chuàng)建和修改進(jìn)程：

• 函數(shù)fork( )用來創(chuàng)建一個新的進(jìn)程，該進(jìn)程幾乎是當(dāng)前進(jìn)程的一個完全拷貝

• 函數(shù)族exec( )用來啟動另外的進(jìn)程以取代當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程（函數(shù)族exec( )是一組函數(shù)的統(tǒng)稱, 它包括了execl()、execlp()、execv()、execle()、execve()、execvp()等）

fork

fork是類Unix操作系統(tǒng)上創(chuàng)建進(jìn)程的主要方法，fork用于創(chuàng)建子進(jìn)程。

新的進(jìn)程要通過老的進(jìn)程復(fù)制自身得到，Linux下init進(jìn)程是所有進(jìn)程的父 。 Linux的進(jìn)程都通過init進(jìn)程或init的子進(jìn)程fork(vfork)出來的

#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main () { pid_t fpid; //fpid表示fork函數(shù)返回的值 int count=0;// 調(diào)用fork，創(chuàng)建出子進(jìn)程 fpid=fork();// 所以下面的代碼有兩個進(jìn)程執(zhí)行！if (fpid < 0) printf("創(chuàng)建進(jìn)程失敗!/n"); else if (fpid == 0) { printf("我是子進(jìn)程，由父進(jìn)程fork出來/n"); count++; } else { printf("我是父進(jìn)程/n"); count++; } printf("統(tǒng)計(jì)結(jié)果是: %d/n",count); return 0; }

輸出結(jié)果

我是子進(jìn)程，由父進(jìn)程fork出來統(tǒng)計(jì)結(jié)果是: 1我是父進(jìn)程統(tǒng)計(jì)結(jié)果是: 1

fork 函數(shù)會有兩次返回 1) 將子進(jìn)程的PID返回給父進(jìn)程，2) 0返回給子進(jìn)程。(如果小于0，則說明創(chuàng)建子進(jìn)程失敗)。

當(dāng)前進(jìn)程調(diào)用fork()，會創(chuàng)建一個跟當(dāng)前進(jìn)程完全相同的子進(jìn)程(除了pid)，所以子進(jìn)程同樣是會執(zhí)行fork()之后的代碼。

故： 父進(jìn)程在執(zhí)行if代碼塊的時候，fpid變量的值是子進(jìn)程的pid，子進(jìn)程在執(zhí)行if代碼塊的時候，fpid變量的值是0

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函數(shù)族exec( )

在Linux中要使用exec函數(shù)族。系統(tǒng)調(diào)用execve（）對當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)行替換，替換者為一個指定的程序，其參數(shù)包括文件名（filename）、參數(shù)列表（argv）以及環(huán)境變量（envp）。

exec函數(shù)族不止一個，但它們大致相同，在 Linux中，它們分別是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp。

一個進(jìn)程一旦調(diào)用exec類函數(shù)，它本身就"死亡"了，系統(tǒng)把代碼段替換成新的程序的代碼，廢棄原有的數(shù)據(jù)段和堆棧段，并為新程序分配新的數(shù)據(jù)段與堆棧段，唯一留下的，就是進(jìn)程號，也就是說，對系統(tǒng)而言，還是同一個進(jìn)程，不過已經(jīng)是另一個程序了。

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為什么有了COW？

早期的 Unix 在實(shí)現(xiàn) fork 系統(tǒng)調(diào)用時，并沒有使用該技術(shù)，創(chuàng)建新進(jìn)程的開銷很大。

出于效率考慮，Copy On Write 技術(shù)引入到進(jìn)程中，fork 之后的父進(jìn)程和子進(jìn)程完全共享數(shù)據(jù)段、代碼段、堆和棧等的完全副本。

Linux在使用fork()函數(shù)進(jìn)程創(chuàng)建時，傳統(tǒng)fork()的做法是系統(tǒng)把所有的資源復(fù)制給新創(chuàng)建的進(jìn)程，這種方式不僅單一，而且效率低下。因?yàn)樗截惖臄?shù)據(jù)或別的資源可能是可以共享的。現(xiàn)在Linux的fork()使用寫時拷貝頁來實(shí)現(xiàn)新進(jìn)程的創(chuàng)建，它是一種可推遲甚至避免數(shù)據(jù)拷貝的技術(shù)，剛開始時內(nèi)核并不會復(fù)制整個地址空間，而是讓父子進(jìn)程共享地址空間，只有在寫時才復(fù)制地址空間，使得父子進(jìn)程都擁有獨(dú)立的地址空間，即資源的復(fù)制是在只有需要寫入時才會發(fā)生，因此而稱之為Copy on Write（COW）。

在此之前都是以讀的方式去和父進(jìn)程共享資源，這樣，在頁根本不會被寫入的場景下，fork()立即執(zhí)行exec()，無需對地址空間進(jìn)行復(fù)制，fork()的實(shí)際開銷就是復(fù)制父進(jìn)程的一個頁表和為子進(jìn)程創(chuàng)建一個進(jìn)程描述符，也就是說只有當(dāng)進(jìn)程空間中各段的內(nèi)存內(nèi)容發(fā)生變化時，父進(jìn)程才將其內(nèi)容復(fù)制一份傳給子進(jìn)程，大大提高了效率。

通俗來說 fork創(chuàng)建出的子進(jìn)程，與父進(jìn)程共享內(nèi)存空間。 如果子進(jìn)程不對內(nèi)存空間進(jìn)行寫入操作的話，內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)并不會復(fù)制給子進(jìn)程，這樣創(chuàng)建子進(jìn)程的速度就很快 ，因?yàn)椴挥脧?fù)制，直接引用父進(jìn)程的物理空間 ，并且如果在fork函數(shù)返回之后，子進(jìn)程第一時間exec一個新的可執(zhí)行映像，那么也不會浪費(fèi)時間和內(nèi)存空間了 。

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COW 原理

fork()之后，kernel把父進(jìn)程中所有的內(nèi)存頁的權(quán)限都設(shè)為read-only，然后子進(jìn)程的地址空間指向父進(jìn)程。當(dāng)父子進(jìn)程都只讀內(nèi)存時，相安無事。當(dāng)其中某個進(jìn)程寫內(nèi)存時，CPU硬件檢測到內(nèi)存頁是read-only的，于是觸發(fā)頁異常中斷（page-fault），陷入kernel的一個中斷例程。中斷例程中，kernel就會把觸發(fā)的異常的頁復(fù)制一份，于是父子進(jìn)程各自持有獨(dú)立的一份。

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COW的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

• COW技術(shù)可減少分配和復(fù)制大量資源時帶來的瞬間延時。
• COW技術(shù)可減少不必要的資源分配。比如fork進(jìn)程時，并不是所有的頁面都需要復(fù)制，父進(jìn)程的代碼段和只讀數(shù)據(jù)段都不被允許修改，所以無需復(fù)制。

缺點(diǎn)

• 如果在fork()之后，父子進(jìn)程都還需要繼續(xù)進(jìn)行寫操作，那么會產(chǎn)生大量的分頁錯誤(頁異常中斷page-fault)，這樣就得不償失。

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小結(jié)

fork出的子進(jìn)程共享父進(jìn)程的物理空間，當(dāng)父子進(jìn)程有內(nèi)存寫入操作時，read-only內(nèi)存頁發(fā)生中斷，將觸發(fā)的異常的內(nèi)存頁復(fù)制一份(其余的頁還是共享父進(jìn)程的)。

fork出的子進(jìn)程功能實(shí)現(xiàn)和父進(jìn)程是一樣的。如果有需要， 會調(diào)用exec()把當(dāng)前進(jìn)程映像替換成新的進(jìn)程文件，完成自定義的功能。

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參考：
維基百科-Copy-on-write
COW奶牛！Copy On Write機(jī)制了解一下

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搞定Linux核心技術(shù)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux-Copy On Write写时复制机制初探的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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