Linux 寫時復(fù)制機(jī)制原理
在 Linux 系統(tǒng)中，調(diào)用 fork 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建子進(jìn)程時，并不會把父進(jìn)程所有占用的內(nèi)存頁復(fù)制一份，而是與父進(jìn)程共用相同的內(nèi)存頁，而當(dāng)子進(jìn)程或者父進(jìn)程對內(nèi)存頁進(jìn)行修改時才會進(jìn)行復(fù)制 —— 這就是著名的 寫時復(fù)制 機(jī)制。
下面我們將分析 Linux 寫時復(fù)制（Copy On Write） 機(jī)制的原理。
虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存
進(jìn)程的內(nèi)存可分為 虛擬內(nèi)存 和 物理內(nèi)存。
物理內(nèi)存：就是電腦安裝的內(nèi)存條，如果電腦安裝了2GB的內(nèi)存條，那么系統(tǒng)就用于 0 ~ 2GB 的物理內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存：虛擬內(nèi)存是使用軟件虛擬的，在 32 位操作系統(tǒng)中，每個進(jìn)程都獨(dú)占 4GB 的虛擬內(nèi)存空間。
應(yīng)用程序使用的是 虛擬內(nèi)存，比如 C 語言取地址操作符號 & 所得到的地址就是 虛擬內(nèi)存地址。而 虛擬內(nèi)存地址 需要映射到 物理內(nèi)存地址 才能使用，如果使用沒有映射的 虛擬內(nèi)存地址，將會導(dǎo)致 缺頁異常。
虛擬內(nèi)存地址 映射到 物理內(nèi)存地址 如下圖所示：
如上圖所示，進(jìn)程A與進(jìn)程B的相同 虛擬內(nèi)存地址 映射到不同的 物理內(nèi)存地址，這就是不同進(jìn)程的相同虛擬內(nèi)存地址互不影響的原因。
寫時復(fù)制原理
前面介紹了 虛擬內(nèi)存 與 物理內(nèi)存 的概念，接下來將會介紹 Linux 寫時復(fù)制 的原理。
前面說過，虛擬內(nèi)存 需要與 物理內(nèi)存 進(jìn)行映射才能使用，如果不同進(jìn)程的 虛擬內(nèi)存地址 映射到相同的 物理內(nèi)存地址，那么就實現(xiàn)了共享內(nèi)存的機(jī)制。如下圖所示：
由于進(jìn)程A的 虛擬內(nèi)存M 與進(jìn)程B的 虛擬內(nèi)存M' 映射到相同的 物理內(nèi)存G，所以當(dāng)修改進(jìn)程A 虛擬內(nèi)存M 的數(shù)據(jù)時，進(jìn)程B 虛擬內(nèi)存M' 的數(shù)據(jù)也會跟著改變。
Linux 為了加速創(chuàng)建子進(jìn)程過程與節(jié)省內(nèi)存使用的原因，實現(xiàn)了 寫時復(fù)制 的機(jī)制。
寫時復(fù)制 的原理大概如下：
創(chuàng)建子進(jìn)程時，將父進(jìn)程的
虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存映射關(guān)系復(fù)制到子進(jìn)程中，并將內(nèi)存設(shè)置為只讀（為什么要設(shè)置為只讀？）。當(dāng)子進(jìn)程或者父進(jìn)程對內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時，便會觸發(fā)
寫時復(fù)制機(jī)制：將原來的內(nèi)存頁復(fù)制一份新的，并重新設(shè)置其內(nèi)存映射關(guān)系，將父子進(jìn)程的內(nèi)存讀寫權(quán)限設(shè)置為可讀寫。
寫時復(fù)制 過程如下圖所示：
從上圖可知，當(dāng)創(chuàng)建子進(jìn)程時，父子進(jìn)程指向相同的 物理內(nèi)存，而不是將父進(jìn)程所占用的 物理內(nèi)存 復(fù)制一份。這樣做的好處有兩個：
加速創(chuàng)建子進(jìn)程的速度。
減少進(jìn)程對物理內(nèi)存的使用。
但這個時候只能對內(nèi)存進(jìn)行讀操作，如果父進(jìn)程或子進(jìn)程對內(nèi)存進(jìn)行寫操作，那么將會觸發(fā) 缺頁異常，而在 缺頁異常 處理中會對物理內(nèi)存進(jìn)行復(fù)制，并且重新映射其內(nèi)存映射關(guān)系。
復(fù)制并重新映射到新的物理內(nèi)存后，父子進(jìn)程的虛擬內(nèi)存就映射到不同的物理內(nèi)存上，這時父子進(jìn)程都可以對內(nèi)存進(jìn)行寫操作而互不影響，所以需要把父子進(jìn)程的內(nèi)存讀寫權(quán)限設(shè)置為可讀寫。
總結(jié)
本篇文章主要介紹了 Linux 寫時復(fù)制 的原理，寫時復(fù)制 是 Linux 創(chuàng)建子進(jìn)程高效的關(guān)鍵所在，而且還能節(jié)省對物理內(nèi)存使用。我們將在下一篇文章中對 寫時復(fù)制 的實現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的分析。