摘要：用于創(chuàng)建子進(jìn)程等同于當(dāng)前進(jìn)程的副本。這個(gè)函數(shù)會(huì)有兩次返回，將子進(jìn)程的返回給父進(jìn)程，返回給子進(jìn)程。當(dāng)父子進(jìn)程中有更改相應(yīng)段的行為發(fā)生時(shí)，再為子進(jìn)程相應(yīng)的段分配物理空間。中斷例程中，就會(huì)把觸發(fā)的異常的頁(yè)復(fù)制一份，于是父子進(jìn)程各自持有獨(dú)立的一份。

只有光頭才能變強(qiáng)

在讀《Redis設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》關(guān)于哈希表擴(kuò)容的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這么一段話：

執(zhí)行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令的過程中，Redis需要?jiǎng)?chuàng)建當(dāng)前服務(wù)器進(jìn)程的子進(jìn)程，而大多數(shù)操作系統(tǒng)都采用寫時(shí)復(fù)制（copy-on-write）來(lái)優(yōu)化子進(jìn)程的使用效率，所以在子進(jìn)程存在期間，服務(wù)器會(huì)提高負(fù)載因子的閾值，從而避免在子進(jìn)程存在期間進(jìn)行哈希表擴(kuò)展操作，避免不必要的內(nèi)存寫入操作，最大限度地節(jié)約內(nèi)存。

觸及到知識(shí)的盲區(qū)了，于是就去搜了一下copy-on-write寫時(shí)復(fù)制這個(gè)技術(shù)究竟是怎么樣的。發(fā)現(xiàn)涉及的東西蠻多的，也挺難讀懂的。于是就寫下這篇筆記來(lái)記錄一下我學(xué)習(xí)copy-on-write的過程。

本文力求簡(jiǎn)單講清copy-on-write這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，希望大家看完能有所收獲。

在說(shuō)明Linux下的copy-on-write機(jī)制前，我們首先要知道兩個(gè)函數(shù)：fork()和exec()。需要注意的是exec()并不是一個(gè)特定的函數(shù), 它是一組函數(shù)的統(tǒng)稱, 它包括了execl()、execlp()、execv()、execle()、execve()、execvp()。

首先我們來(lái)看一下fork()函數(shù)是什么鬼：

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

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(等同于當(dāng)前進(jìn)程的副本)。

新的進(jìn)程要通過老的進(jìn)程復(fù)制自身得到，這就是fork！

如果接觸過Linux，我們會(huì)知道Linux下init進(jìn)程是所有進(jìn)程的爹(相當(dāng)于Java中的Object對(duì)象)

Linux的進(jìn)程都通過init進(jìn)程或init的子進(jìn)程fork(vfork)出來(lái)的。

下面以例子說(shuō)明一下fork吧：

#include???
#include???
?
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(gè)進(jìn)程執(zhí)行！
????if?(fpid?
得到的結(jié)果輸出為：
我是子進(jìn)程，由父進(jìn)程fork出來(lái)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果是: 1

我是父進(jìn)程

統(tǒng)計(jì)結(jié)果是: 1

解釋一下：

fork作為一個(gè)函數(shù)被調(diào)用。這個(gè)函數(shù)會(huì)有兩次返回，將子進(jìn)程的PID返回給父進(jìn)程，0返回給子進(jìn)程。(如果小于0，則說(shuō)明創(chuàng)建子進(jìn)程失敗)。
再次說(shuō)明：當(dāng)前進(jìn)程調(diào)用fork()，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)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(huì)執(zhí)行fork()之后的代碼。

所以說(shuō)：

父進(jìn)程在執(zhí)行if代碼塊的時(shí)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(shí)候，fpid變量的值是0

1.2再來(lái)看看exec()函數(shù)
從上面我們已經(jīng)知道了fork會(huì)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。子進(jìn)程的是父進(jìn)程的副本。
exec函數(shù)的作用就是：裝載一個(gè)新的程序（可執(zhí)行映像）覆蓋當(dāng)前進(jìn)程內(nèi)存空間中的映像，從而執(zhí)行不同的任務(wù)。
exec系列函數(shù)在執(zhí)行時(shí)會(huì)直接替換掉當(dāng)前進(jìn)程的地址空間。
我去畫張圖來(lái)理解一下：

參考資料：

程序員必備知識(shí)——fork和exec函數(shù)詳解https://blog.csdn.net/bad_good_man/article/details/49364947

linux中fork（）函數(shù)詳解（原創(chuàng)??！實(shí)例講解）：https://blog.csdn.net/jason314/article/details/5640969

linux c語(yǔ)言 fork() 和 exec 函數(shù)的簡(jiǎn)介和用法：https://blog.csdn.net/nvd11/article/details/8856278

Linux下Fork與Exec使用：https://www.cnblogs.com/hicjiajia/archive/2011/01/20/1940154.html

Linux 系統(tǒng)調(diào)用 —— fork()內(nèi)核源碼剖析：https://blog.csdn.net/chen892704067/article/details/76596225


1.3回頭來(lái)看Linux下的COW是怎么一回事
fork()會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和父進(jìn)程完全相同的子進(jìn)程(除了pid)
如果按傳統(tǒng)的做法，會(huì)直接將父進(jìn)程的數(shù)據(jù)拷貝到子進(jìn)程中，拷貝完之后，父進(jìn)程和子進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)段和堆棧是相互獨(dú)立的。

但是，以我們的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)：往往子進(jìn)程都會(huì)執(zhí)行exec()來(lái)做自己想要實(shí)現(xiàn)的功能。
所以，如果按照上面的做法的話，創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)復(fù)制過去的數(shù)據(jù)是沒用的(因?yàn)樽舆M(jìn)程執(zhí)行exec()，原有的數(shù)據(jù)會(huì)被清空)
既然很多時(shí)候復(fù)制給子進(jìn)程的數(shù)據(jù)是無(wú)效的，于是就有了Copy On Write這項(xiàng)技術(shù)了，原理也很簡(jiǎn)單：

fork創(chuàng)建出的子進(jìn)程，與父進(jìn)程共享內(nèi)存空間。也就是說(shuō)，如果子進(jìn)程不對(duì)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(huì)復(fù)制給子進(jìn)程，這樣創(chuàng)建子進(jìn)程的速度就很快了！(不用復(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(shí)間exec一個(gè)新的可執(zhí)行映像，那么也不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和內(nèi)存空間了。

另外的表達(dá)方式：
在fork之后exec之前兩個(gè)進(jìn)程用的是相同的物理空間（內(nèi)存區(qū)），子進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧都是指向父進(jìn)程的物理空間，也就是說(shuō)，兩者的虛擬空間不同，但其對(duì)應(yīng)的物理空間是同一個(gè)。
當(dāng)父子進(jìn)程中有更改相應(yīng)段的行為發(fā)生時(shí)，再為子進(jìn)程相應(yīng)的段分配物理空間。

如果不是因?yàn)閑xec，內(nèi)核會(huì)給子進(jìn)程的數(shù)據(jù)段、堆棧段分配相應(yīng)的物理空間（至此兩者有各自的進(jìn)程空間，互不影響），而代碼段繼續(xù)共享父進(jìn)程的物理空間（兩者的代碼完全相同）。
而如果是因?yàn)閑xec，由于兩者執(zhí)行的代碼不同，子進(jìn)程的代碼段也會(huì)分配多帶帶的物理空間。
Copy On Write技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理：
fork()之后，kernel把父進(jìn)程中所有的內(nèi)存頁(yè)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(shí)，相安無(wú)事。當(dāng)其中某個(gè)進(jìn)程寫內(nèi)存時(shí)，CPU硬件檢測(cè)到內(nèi)存頁(yè)是read-only的，于是觸發(fā)頁(yè)異常中斷（page-fault），陷入kernel的一個(gè)中斷例程。中斷例程中，kernel就會(huì)把觸發(fā)的異常的頁(yè)復(fù)制一份，于是父子進(jìn)程各自持有獨(dú)立的一份。
Copy On Write技術(shù)好處是什么？

COW技術(shù)可減少分配和復(fù)制大量資源時(shí)帶來(lái)的瞬間延時(shí)。
COW技術(shù)可減少不必要的資源分配。比如fork進(jìn)程時(shí)，并不是所有的頁(yè)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(wú)需復(fù)制。

Copy On Write技術(shù)缺點(diǎn)是什么？
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(huì)產(chǎn)生大量的分頁(yè)錯(cuò)誤(頁(yè)異常中斷page-fault)，這樣就得不償失。
幾句話總結(jié)Linux的Copy On Write技術(shù)：

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(shí)，read-only內(nèi)存頁(yè)發(fā)生中斷，將觸發(fā)的異常的內(nèi)存頁(yè)復(fù)制一份(其余的頁(yè)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，我們會(huì)用exec()把當(dāng)前進(jìn)程映像替換成新的進(jìn)程文件，完成自己想要實(shí)現(xiàn)的功能。

參考資料：

Linux進(jìn)程基礎(chǔ)：http://www.cnblogs.com/vamei/archive/2012/09/20/2694466.html

Linux寫時(shí)拷貝技術(shù)(copy-on-write)http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/20/2601655.html

當(dāng)你在 Linux 上啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程時(shí)會(huì)發(fā)生什么？https://zhuanlan.zhihu.com/p/33159508

Linux fork()所謂的寫時(shí)復(fù)制(COW)到最后還是要先復(fù)制再寫嗎？https://www.zhihu.com/question/265400460

寫時(shí)拷貝（copy－on－write） COW技術(shù)https://blog.csdn.net/u012333003/article/details/25117457

Copy-On-Write 寫時(shí)復(fù)制原理https://blog.csdn.net/ppppppppp2009/article/details/22750939


二、解釋一下Redis的COW
基于上面的基礎(chǔ)，我們應(yīng)該已經(jīng)了解COW這么一項(xiàng)技術(shù)了。
下面我來(lái)說(shuō)一下我對(duì)《Redis設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》那段話的理解：

Redis在持久化時(shí)，如果是采用BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF的方式，那Redis會(huì)fork出一個(gè)子進(jìn)程來(lái)讀取數(shù)據(jù)，從而寫到磁盤中。
總體來(lái)看，Redis還是讀操作比較多。如果子進(jìn)程存在期間，發(fā)生了大量的寫操作，那可能就會(huì)出現(xiàn)很多的分頁(yè)錯(cuò)誤(頁(yè)異常中斷page-fault)，這樣就得耗費(fèi)不少性能在復(fù)制上。
而在rehash階段上，寫操作是無(wú)法避免的。所以Redis在fork出子進(jìn)程之后，將負(fù)載因子閾值提高，盡量減少寫操作，避免不必要的內(nèi)存寫入操作，最大限度地節(jié)約內(nèi)存。

參考資料：

fork()后copy on write的一些特性：https://zhoujianshi.github.io/articles/2017/fork()%E5%90%8Ecopy%20on%20write%E7%9A%84%E4%B8%80%E4%BA%9B%E7%89%B9%E6%80%A7/index.html%E5%90%8Ecopy%20on%20write%E7%9A%84%E4%B8%80%E4%BA%9B%E7%89%B9%E6%80%A7/index.html)
寫時(shí)復(fù)制：https://miao1007.github.io/gitbook/java/juc/cow/


三、文件系統(tǒng)的COW
下面來(lái)看看文件系統(tǒng)中的COW是啥意思：
Copy-on-write在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的時(shí)候，不會(huì)直接在原來(lái)的數(shù)據(jù)位置上進(jìn)行操作，而是重新找個(gè)位置修改，這樣的好處是一旦系統(tǒng)突然斷電，重啟之后不需要做Fsck。好處就是能保證數(shù)據(jù)的完整性，掉電的話容易恢復(fù)。
比如說(shuō)：要修改數(shù)據(jù)塊A的內(nèi)容，先把A讀出來(lái)，寫到B塊里面去。如果這時(shí)候斷電了，原來(lái)A的內(nèi)容還在！
參考資料：

文件系統(tǒng)中的 copy-on-write 模式有什么具體的好處？https://www.zhihu.com/question/19782224/answers/created

新一代 Linux 文件系統(tǒng) btrfs 簡(jiǎn)介:https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-btrfs/


最后
最后我們?cè)賮?lái)看一下寫時(shí)復(fù)制的思想(摘錄自維基百科)：
寫入時(shí)復(fù)制（英語(yǔ)：Copy-on-write，簡(jiǎn)稱COW）是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)化策略。其核心思想是，如果有多個(gè)調(diào)用者（callers）同時(shí)請(qǐng)求相同資源（如內(nèi)存或磁盤上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），他們會(huì)共同獲取相同的指針指向相同的資源，直到某個(gè)調(diào)用者試圖修改資源的內(nèi)容時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)真正復(fù)制一份專用副本（private copy）給該調(diào)用者，而其他調(diào)用者所見到的最初的資源仍然保持不變。這過程對(duì)其他的調(diào)用者都是透明的（transparently）。此作法主要的優(yōu)點(diǎn)是如果調(diào)用者沒有修改該資源，就不會(huì)有副本（private copy）被建立，因此多個(gè)調(diào)用者只是讀取操作時(shí)可以共享同一份資源。
至少?gòu)谋疚奈覀兛梢钥偨Y(jié)出：

Linux通過Copy On Write技術(shù)極大地減少了Fork的開銷。
文件系統(tǒng)通過Copy On Write技術(shù)一定程度上保證數(shù)據(jù)的完整性。

其實(shí)在Java里邊，也有Copy On Write技術(shù)。

這部分留到下一篇來(lái)說(shuō)，敬請(qǐng)期待~
如果大家有更好的理解方式或者文章有錯(cuò)誤的地方還請(qǐng)大家不吝在評(píng)論區(qū)留言，大家互相學(xué)習(xí)交流~~~
參考資料：

寫時(shí)復(fù)制，寫時(shí)拷貝，寫時(shí)分裂，Copy on write：https://my.oschina.net/dubenju/blog/815836

不會(huì)產(chǎn)奶的COW(Copy-On-Write)https://www.jianshu.com/p/b2fb2ee5e3a0


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