写时复制(Copy On Write)

前言

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简单来看看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。

 

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。

参考资料：

• 程序员必备知识——fork和exec函数详解blog.csdn.net/bad_good_ma…
• linux中fork（）函数详解（原创！！实例讲解）：blog.csdn.net/jason314/ar…
• linux c语言 fork() 和 exec 函数的简介和用法：blog.csdn.net/nvd11/artic…
• Linux下Fork与Exec使用：www.cnblogs.com/hicjiajia/a…
• Linux 系统调用 —— fork()内核源码剖析：blog.csdn.net/chen8927040…

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。

 

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：www.cnblogs.com/vamei/archi…
• Linux写时拷贝技术(copy-on-write)www.cnblogs.com/biyeymyhjob…
• 当你在 Linux 上启动一个进程时会发生什么？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？www.zhihu.com/question/26…
• 写时拷贝（copy－on－write） COW技术blog.csdn.net/u012333003/…
• Copy-On-Write 写时复制原理blog.csdn.net/ppppppppp20…

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：zhoujianshi.github.io/articles/20…
• 写时复制：miao1007.github.io/gitbook/jav…