写时复制
本章为进阶内容，零基础读者可以跳过，不影响后续阅读。
复习
- 按需加载与交换空间：只把眼下需要的页面放进内存
- 页面置换：内存装满后应该换出哪一页
- 工作集与内存抖动：程序频繁缺页时为什么会忙着换页却不再做事
TL;DR
- 创建进程时常要“复制一份”，可完整复制内存既慢又费内存
- 写时复制（COW）：先让父子进程共享同一批页，都设为只读
- 谁真正要写，才给谁复制那一页
- 省内存、加快创建，是 fork 能又快又省的秘诀
正文
回忆一下创建进程：fork 会“复制”出一个和父进程几乎一样的子进程。如果老实地把父进程的内存一字不差地抄一份，代价相当可观——尤其是父进程本身很大时。
可仔细想想：子进程复制完之后，往往紧接着就 exec 换成别的程序，那些抄过来的数据它根本不用。辛辛苦苦抄一遍，然后立刻扔掉，这买卖太亏。
先共享，再按需复制
写时复制（COW，Copy-On-Write）给出了一个聪明的解法：
fork时，不复制内存，而是让父子进程共享同一批物理页- 把这些共享页统统标记为只读
- 之后，谁想写某一页，硬件就会发现“这是只读的，不能写”，触发一个异常
- 内核介入：把这一页真正复制一份给要写的那方，改成可写，再让它继续写
fork 后：父 ─┐
├── 共享同一批页（只读）
子 ─┘
子进程想写某页： → 异常 → 内核复制该页给子进程 → 子进程继续写
注意关键：只有被写的那一页才复制。没被写的页，父子一直共享，一份内存当两份用。
好处
写时复制带来的好处很实在：
- 快：
fork几乎不用搬数据，瞬间完成 - 省：没被改动的页大家共用，内存占用大幅下降
- 贴切：非常契合“复制后马上 exec”这种常见用法——子进程几乎不写，于是几乎不复制
“读的时候共享，写的时候才分开”，这个思路不只用在进程创建上，后面讲文件映射、内存共享时还会再见到它。
思考题
如果子进程 fork 之后立刻把整片内存都改一遍，写时复制还能省内存吗？它能省下的是“创建的开销”，还是“内存的占用”，还是两者都省？
小结
知识点
- 完整复制进程内存既慢又浪费
- 写时复制：先共享只读页，写入时才复制
- 只有被写的页才复制
- 加快创建、节省内存
参考资料
- Wikipedia(zh)：写时复制：copy-on-write
- Wikipedia(zh)：fork：进程创建
思考题答案（仅供参考）
如果子进程立刻把整片内存都改一遍，那么每一页都会被写、都被复制，最终等同于完整复制了一份——内存上并不省。写时复制真正稳定省下的，是“创建时的开销”：不用一上来就抄一遍。所以在“改遍全部”的极端情况下，它主要省的是启动时间，而不是内存；而在“改了很少”的常见情况下，时间和内存都省。可见同一项技术，收益大小取决于程序怎么用。
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设计师 | 南国微雪