Linux如何實現(xiàn)寫時拷貝技術(shù)

這篇文章主要介紹了Linux如何實現(xiàn)寫時拷貝技術(shù)，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

COW技術(shù)初窺

在linux程序中，fork()會產(chǎn)生一個和父進程完全相同的子進程，但子進程在此后多會exec系統(tǒng)調(diào)用，出于效率考慮，linux中引入了“寫時復(fù)制”技術(shù)，也就是只有進程空間的各段的內(nèi)容要發(fā)生變化時，才將父進程的內(nèi)容復(fù)制一份給子進程。

那么子進程的物理空間沒有代碼，怎么去取指令執(zhí)行exec系統(tǒng)調(diào)用呢？？

在fork之后exec之前兩個進程用的是相同的物理空間(內(nèi)存區(qū))，子進程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧都是指向父進程的物理空間，也就是說，兩者的虛擬空間不同，其對應(yīng)的物理空間是一個。當父子進程中有更改相應(yīng)段的行為發(fā)生時，再為子進程相應(yīng)的段分配物理空間。如果不是因為exec，內(nèi)核會給子進程的數(shù)據(jù)段、堆棧段分配相應(yīng)的物理空間(至此兩者都有各自的進程空間，互不影響)，而代碼段繼續(xù)共享父進程的物理空間(兩者的代碼完全相同)。而如果是因為exec，由于兩者執(zhí)行的代碼不同，子進程的代碼段也會分配單獨的物理空間。

在網(wǎng)上看到的還有個細節(jié)問題是：fork之后內(nèi)核會將子進程排在隊列的前面，以讓子進程先執(zhí)行，以免父進程執(zhí)行導(dǎo)致寫時復(fù)制，而后子進程執(zhí)行exec系統(tǒng)調(diào)用，因無意義的復(fù)制而造成效率的下降。

COW詳述

現(xiàn)在有一個父進程P1，這是一個主體，那么它是有靈魂也是有身體的。現(xiàn)在在其虛擬地址空間(有相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示)上有：正文段，數(shù)據(jù)段，堆，棧這四個部分，相應(yīng)地，內(nèi)核要為這四個部分分配給自的物理塊。即正文段塊、數(shù)據(jù)段塊、堆塊、棧塊。至于如何分配，這是內(nèi)核去做的事，在此不詳述。

1. 現(xiàn)在P1用fork()函數(shù)為進程創(chuàng)建一個子進程P2

內(nèi)核：

(1) 復(fù)制P1的正文段，數(shù)據(jù)段，堆，棧這四個部分，注意是其內(nèi)容相同。

(2) 為這四個部分分配物理塊，P2的：正文段(為P1的正文段的物理塊，其實就是不為P2分配正文段塊，讓P2的正文段指向P1的正文段塊)，數(shù)據(jù)段(P2自己的數(shù)據(jù)段塊，為其分配對應(yīng)的塊)，堆(P2自己的堆塊)，棧(P2自己的棧塊)。如下圖所示，同左到右大的方向箭頭表示復(fù)制內(nèi)容：

 2. 寫時復(fù)制技術(shù)

寫時復(fù)制技術(shù)：內(nèi)核只為新生成的子進程創(chuàng)建虛擬空間結(jié)構(gòu)，它們復(fù)制于父進程的虛擬空間結(jié)構(gòu)，但是不為這些段分配物理內(nèi)存，它們共享父進程的物理空間，當父子進程中有更改相應(yīng)的段的行為發(fā)生時，再為子進程相應(yīng)的段分配物理空間。

3. vfork

vfork的做法更加簡單粗暴，內(nèi)核連子進程的虛擬地址空間也不創(chuàng)建了，直接共享了父進程的虛擬空間，當然了，這種做法就順水推舟的共享了父進程的物理空間

總結(jié)

傳統(tǒng)的fork()系統(tǒng)調(diào)用直接把所有的資源復(fù)制給新創(chuàng)建的進程。這種實現(xiàn)過于簡單并且效率低下，因為它拷貝的數(shù)據(jù)也許并不共享，更糟的情況是，如果新進程打算立即執(zhí)行一個新的映像，那么所有的拷貝將是無用功。

Linux的fork()使用寫時拷貝(copy-on-write)頁實現(xiàn)。寫時拷貝是一種可以推遲甚至免除拷貝數(shù)據(jù)的技術(shù)。內(nèi)核此時并不復(fù)制整個地址空間，而是讓父進程和子進程共享一個拷貝。只有在需要寫入的時候，數(shù)據(jù)才會復(fù)制，從而使各個進程擁有各自的拷貝。也就是說，資源的復(fù)制只有在需要寫入的時候才進行，在此之前，只是以只讀方式共享。這種技術(shù)使地址空間的頁的拷貝被推遲到實際發(fā)生寫入的時候。

在頁根本不會被寫入的情況下，舉例來說，fork()之后立即調(diào)用exec()，它們就無需復(fù)制了，fork()的實際開銷就是復(fù)制父進程的頁表以及給子進程創(chuàng)建唯一的進程描述符。在一般情況下，進程創(chuàng)建后都會馬上運行一個可執(zhí)行的文件，這種優(yōu)化可以避免拷貝大量根本不會使用的數(shù)據(jù)(地址空間常常包含數(shù)十兆的數(shù)據(jù))。由于Unix強調(diào)進程快速執(zhí)行的能力，所以這個優(yōu)化是很重要的，注：Linux COW和exec沒有必然聯(lián)系

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