COW奶牛！Copy On Write机制了解一下

前言

只有光头才能变强

在读《Redis设计与实现》关于哈希表扩容的时候，发现这么一段话：

执行BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF命令的过程中，Redis需要创建当前服务器进程的子进程，而大多数操作系统都采用写时复制（copy-on-write）来优化子进程的使用效率，所以在子进程存在期间，服务器会提高负载因子的阈值，从而避免在子进程存在期间进行哈希表扩展操作，避免不必要的内存写入操作，最大限度地节约内存。

触及到知识的盲区了，于是就去搜了一下copy-on-write写时复制这个技术究竟是怎么样的。发现涉及的东西蛮多的，也挺难读懂的。于是就写下这篇笔记来记录一下我学习copy-on-write的过程。

本文力求简单讲清copy-on-write这个知识点，希望大家看完能有所收获。

一、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

1.2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：

exec函数的作用

参考资料：

• 程序员必备知识——fork和exec函数详解https://blog.csdn.net/bad_good_man/article/details/49364947

• linux中fork（）函数详解（原创！！实例讲解）：https://blog.csdn.net/jason314/article/details/5640969

• linux c语言 fork() 和 exec 函数的简介和用法：https://blog.csdn.net/nvd11/article/details/8856278

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

• Linux 系统调用 —— fork()内核源码剖析：https://blog.csdn.net/chen892704067/article/details/76596225

1.3回头来看Linux下的COW是怎么一回事

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。

父进程的数据拷贝到子进程中

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的一个中断例程。中断例程中，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。

参考资料：

• Linux进程基础：http://www.cnblogs.com/vamei/archive/2012/09/20/2694466.html

• Linux写时拷贝技术(copy-on-write)http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/20/2601655.html

• 当你在 Linux 上启动一个进程时会发生什么？https://zhuanlan.zhihu.com/p/33159508

• Linux fork()所谓的写时复制(COW)到最后还是要先复制再写吗？https://www.zhihu.com/question/265400460

• 写时拷贝（copy－on－write） COW技术https://blog.csdn.net/u012333003/article/details/25117457

• Copy-On-Write 写时复制原理https://blog.csdn.net/ppppppppp2009/article/details/22750939

二、解释一下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。

参考资料：

• 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

• 写时复制：https://miao1007.github.io/gitbook/java/juc/cow/

三、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！

参考资料：

• 文件系统中的 copy-on-write 模式有什么具体的好处？https://www.zhihu.com/question/19782224/answers/created

• 新一代 Linux 文件系统 btrfs 简介:https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-btrfs/

最后

最后我们再来看一下写时复制的思想(摘录自维基百科)：

写入时复制（英语：Copy-on-write，简称COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（callers）同时请求相同资源（如内存或磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者试图修改资源的内容时，系统才会真正复制一份专用副本（private copy）给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的（transparently）。此作法主要的优点是如果调用者没有修改该资源，就不会有副本（private copy）被建立，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

至少从本文我们可以总结出：

• Linux通过Copy On Write技术极大地减少了Fork的开销。

• 文件系统通过Copy On Write技术一定程度上保证数据的完整性。

其实在Java里边，也有Copy On Write技术。

Java中的COW

这部分留到下一篇来说，敬请期待~

如果大家有更好的理解方式或者文章有错误的地方还请大家不吝在评论区留言，大家互相学习交流~~~

参考资料：

• 写时复制，写时拷贝，写时分裂，Copy on write：https://my.oschina.net/dubenju/blog/815836

• 不会产奶的COW(Copy-On-Write)https://www.jianshu.com/p/b2fb2ee5e3a0

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