一文弄懂写时复制(COW)

写时复制（Copy - on - Write，COW）

基本概念

写时复制是计算机编程里的一种优化策略。它的核心思想在于，进行数据修改操作时，并非马上复制整个数据对象，而是要等到真正需要修改数据的那个时刻才执行复制操作。这样做能够避免不必要的数据复制，进而提升系统性能，提高资源利用率。

工作原理

初始化

当多个进程或者线程共享同一个数据副本时，它们实际上都是指向同一块物理内存区域。在这个阶段，并不会进行数据的复制操作。

• 多个进程/线程 --> 同一块物理内存区域（共享数据）

写操作触发

一旦其中某个进程或者线程需要对共享数据执行写操作，操作系统或者相关系统就会先复制一份该数据的副本。之后，让进行写操作的进程或线程在这个副本上进行修改，而其他进程或线程依旧使用原来的数据副本。

• 要进行写操作的进程/线程 --触发复制–> 生成数据副本 --> 在副本上修改
• 其他进程/线程 --> 继续使用原数据副本

应用场景

操作系统

在一些操作系统（例如 Linux）中，当使用 fork() 系统调用创建子进程的时候，就会运用写时复制技术。子进程和父进程会共享相同的物理内存页面，只有在其中一个进程对页面进行写操作时，才会复制该页面。这样能够减少内存的使用以及复制开销。

• 父进程和子进程 --> 初始共享物理内存页面
• 有写操作的进程 --> 触发页面复制

Linux下的COW

传统子进程创建方式的问题

在 Linux 系统中，fork() 系统调用会创建一个与父进程几乎完全相同的子进程（唯一不同的是进程 ID，即 pid）。按照传统做法，会直接把父进程的数据复制到子进程中。复制完成后，父进程和子进程的数据段与堆栈是相互独立的。

然而，从实际使用情况来看，子进程通常会执行 exec() 函数来实现自身的特定功能。这就意味着，若采用传统复制数据的方式，创建子进程时复制过去的数据很多时候是无用的，因为子进程执行 exec() 时，原有的数据会被清空。

Copy On Write 技术的引入

鉴于很多情况下复制给子进程的数据是无效的，于是就诞生了 Copy On Write（COW）技术。其原理较为简单：

• fork 创建的子进程会与父进程共享内存空间。也就是说，只要子进程不对内存空间进行写入操作，内存空间中的数据就不会复制给子进程。这样一来，创建子进程的速度会非常快，因为无需进行数据复制，子进程直接引用父进程的物理空间即可。
• 若在 fork 函数返回后，子进程立即执行 exec 加载一个新的可执行映像，那么就不会造成时间和内存空间的浪费。

换一种表达方式来理解：

• 在 fork 之后、exec 之前，父子进程使用相同的物理空间（内存区）。子进程的代码段、数据段和堆栈都指向父进程的物理空间，即两者的虚拟空间不同，但对应的物理空间是同一个。
• 当父子进程中有对相应段进行更改的操作发生时，才会为子进程的相应段分配物理空间。
  • 若不执行 exec，内核会为子进程的数据段和堆栈段分配对应的物理空间（至此，父子进程拥有各自独立的进程空间，互不影响），而代码段则继续共享父进程的物理空间（因为两者的代码完全相同）。
  • 若执行 exec，由于父子进程执行的代码不同，子进程的代码段也会分配单独的物理空间。

copy - on - write 的实现原理

在 fork() 之后，内核会将父进程中所有内存页的权限设置为只读（read - only），然后让子进程的地址空间指向父进程。当父子进程都只是对内存进行只读操作时，一切相安无事。但当其中某个进程要对内存进行写操作时，CPU 硬件会检测到该内存页是只读的，从而触发页异常中断（page - fault），进而陷入内核的一个中断例程。在内核的中断例程中，会将触发异常的页复制一份，这样父子进程就各自持有一份独立的该页数据。

文件系统

部分文件系统（像 Btrfs、ZFS）也采用了写时复制技术。当对文件进行修改时，不会直接覆盖原数据，而是把修改后的数据写入新的磁盘块。这样做可以提高数据的可靠性和恢复能力，同时也便于进行文件系统的快照和版本管理。

• 修改文件 --> 不覆盖原数据，写入新磁盘块
• 利于数据恢复、快照及版本管理

优缺点

优点

• 减少了不必要的数据复制，提高了系统的性能和资源利用率。因为在多数情况下不需要马上复制大量数据，避免了额外的开销。
• 在创建子进程或者进行数据共享时，可以快速完成操作。由于无需立即复制大量数据，能显著缩短操作时间。

缺点

• 增加了系统的复杂度，需要额外的管理机制来处理数据的复制和共享。这可能会带来更多的代码编写和维护工作。
• 在某些情况下，可能会导致内存使用量的增加。因为写操作会触发数据的复制，可能会使内存中存在多份数据副本。