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詳談Linux寫時拷貝技術(shù)(copy-on-write)必看篇

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COW技術(shù)初窺

在linux程序中,fork()會產(chǎn)生一個和父進程完全相同的子進程,但子進程在此后多會exec系統(tǒng)調(diào)用,出于效率考慮,linux中引入了“寫時復(fù)制”技術(shù),也就是只有進程空間的各段的內(nèi)容要發(fā)生變化時,才將父進程的內(nèi)容復(fù)制一份給子進程。

那么子進程的物理空間沒有代碼,怎么去取指令執(zhí)行exec系統(tǒng)調(diào)用呢??

在fork之后exec之前兩個進程用的是相同的物理空間(內(nèi)存區(qū)),子進程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧都是指向父進程的物理空間,也就是說,兩者的虛擬空間不同,其對應(yīng)的物理空間是一個。當(dāng)父子進程中有更改相應(yīng)段的行為發(fā)生時,再為子進程相應(yīng)的段分配物理空間。如果不是因為exec,內(nèi)核會給子進程的數(shù)據(jù)段、堆棧段分配相應(yīng)的物理空間(至此兩者都有各自的進程空間,互不影響),而代碼段繼續(xù)共享父進程的物理空間(兩者的代碼完全相同)。而如果是因為exec,由于兩者執(zhí)行的代碼不同,子進程的代碼段也會分配單獨的物理空間。

在網(wǎng)上看到的還有個細(xì)節(jié)問題是:fork之后內(nèi)核會將子進程排在隊列的前面,以讓子進程先執(zhí)行,以免父進程執(zhí)行導(dǎo)致寫時復(fù)制,而后子進程執(zhí)行exec系統(tǒng)調(diào)用,因無意義的復(fù)制而造成效率的下降。

COW詳述

現(xiàn)在有一個父進程P1,這是一個主體,那么它是有靈魂也是有身體的。現(xiàn)在在其虛擬地址空間(有相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示)上有:正文段,數(shù)據(jù)段,堆,棧這四個部分,相應(yīng)地,內(nèi)核要為這四個部分分配給自的物理塊。即正文段塊、數(shù)據(jù)段塊、堆塊、棧塊。至于如何分配,這是內(nèi)核去做的事,在此不詳述。

1. 現(xiàn)在P1用fork()函數(shù)為進程創(chuàng)建一個子進程P2

內(nèi)核:

(1) 復(fù)制P1的正文段,數(shù)據(jù)段,堆,棧這四個部分,注意是其內(nèi)容相同。

(2) 為這四個部分分配物理塊,P2的:正文段(為P1的正文段的物理塊,其實就是不為P2分配正文段塊,讓P2的正文段指向P1的正文段塊),數(shù)據(jù)段(P2自己的數(shù)據(jù)段塊,為其分配對應(yīng)的塊),堆(P2自己的堆塊),棧(P2自己的棧塊)。如下圖所示,同左到右大的方向箭頭表示復(fù)制內(nèi)容:

 2. 寫時復(fù)制技術(shù)

寫時復(fù)制技術(shù):內(nèi)核只為新生成的子進程創(chuàng)建虛擬空間結(jié)構(gòu),它們復(fù)制于父進程的虛擬空間結(jié)構(gòu),但是不為這些段分配物理內(nèi)存,它們共享父進程的物理空間,當(dāng)父子進程中有更改相應(yīng)的段的行為發(fā)生時,再為子進程相應(yīng)的段分配物理空間。

3. vfork

vfork的做法更加簡單粗暴,內(nèi)核連子進程的虛擬地址空間也不創(chuàng)建了,直接共享了父進程的虛擬空間,當(dāng)然了,這種做法就順?biāo)浦鄣墓蚕砹烁高M程的物理空間

總結(jié)

傳統(tǒng)的fork()系統(tǒng)調(diào)用直接把所有的資源復(fù)制給新創(chuàng)建的進程。這種實現(xiàn)過于簡單并且效率低下,因為它拷貝的數(shù)據(jù)也許并不共享,更糟的情況是,如果新進程打算立即執(zhí)行一個新的映像,那么所有的拷貝將是無用功。

Linux的fork()使用寫時拷貝(copy-on-write)頁實現(xiàn)。寫時拷貝是一種可以推遲甚至免除拷貝數(shù)據(jù)的技術(shù)。內(nèi)核此時并不復(fù)制整個地址空間,而是讓父進程和子進程共享一個拷貝。只有在需要寫入的時候,數(shù)據(jù)才會復(fù)制,從而使各個進程擁有各自的拷貝。也就是說,資源的復(fù)制只有在需要寫入的時候才進行,在此之前,只是以只讀方式共享。這種技術(shù)使地址空間的頁的拷貝被推遲到實際發(fā)生寫入的時候。

在頁根本不會被寫入的情況下,舉例來說,fork()之后立即調(diào)用exec(),它們就無需復(fù)制了,fork()的實際開銷就是復(fù)制父進程的頁表以及給子進程創(chuàng)建唯一的進程描述符。在一般情況下,進程創(chuàng)建后都會馬上運行一個可執(zhí)行的文件,這種優(yōu)化可以避免拷貝大量根本不會使用的數(shù)據(jù)(地址空間常常包含數(shù)十兆的數(shù)據(jù))。由于Unix強調(diào)進程快速執(zhí)行的能力,所以這個優(yōu)化是很重要的,注:Linux COW和exec沒有必然聯(lián)系

以上這篇詳談Linux寫時拷貝技術(shù)(copy-on-write)必看篇就是小編分享給大家的全部內(nèi)容了,希望能給大家一個參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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