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写时复制技术的概述

作者:资讯 来源:巨推链 2018-09-18 我要评论( )

fork函数,有人认为这样大批量的复制会导致执行效率过低。其实在复制过程中,linux采用了写时复制的策略。子进程复制了

fork()函数,有人认为这样大批量的复制会导致执行效率过低。其实在复制过程中,linux采用了写时复制的策略。

子进程复制了父进程的taskstruct,系统堆栈空间和页面表,这意味着上面的程序,我们没有执行count++前,其实子进程和父进程的count指向的是同一块内存。而当子进程改变了变量时候(即对变量进行了写操作),会通过copyon_write的手段为所涉及的页面建立一个新的副本。

所以当我们执行++count后,这时候子进程才新建了一个页面复制原来页面的内容,基本资源的复制是必须的,而且是高效的。整体看上去就像是父进程的独立存储空间也复制了一遍。

写入时复制(Copy-on-write)是一个被使用在程式设计领域的最佳化策略。其基础的观念是,如果有多个呼叫者(callers)同时要求相同资源,他们会共同取得相同的指标指向相同的资源,直到某个呼叫者(caller)尝试修改资源时,系统才会真正复制一个副本(private copy)给该呼叫者,以避免被修改的资源被直接察觉到,这过程对其他的呼叫只都是通透的(transparently)。此作法主要的优点是如果呼叫者并没有修改该资源,就不会有副本(private copy)被建立。

第一代Unix系统实现了一种傻瓜式的进程创建:当发出fork()系统调用时,内核原样复制父进程的整个地址空间并把复制的那一份分配给子进程。这种行为是非常耗时的,因为它需要:
  • 为子进程的页表分配页帧
  • 为子进程的页分配页帧
  • 初始化子进程的页表
  • 把父进程的页复制到子进程相应的页中

这种创建地址空间的方法涉及许多内存访问,消耗许多CPU周期,并且完全破坏了高速缓存中的内容。在大多数情况下,这样做常常是毫无意义的,因为许多子进程通过装入一个新的程序开始它们的执行,这样就完全丢弃了所继承的地址空间。

现在的Linux内核采用一种更为有效的方法,称之为写时复制(Copy On Write,COW)。这种思想相当简单:父进程和子进程共享页帧而不是复制页帧。然而,只要页帧被共享,它们就不能被修改,即页帧被保护。无论父进程还是子进程何时试图写一个共享的页帧,就产生一个异常,这时内核就把这个页复制到一个新的页帧中并标记为可写。原来的页帧仍然是写保护的:当其他进程试图写入时,内核检查写进程是否是这个页帧的唯一属主,如果是,就把这个页帧标记为对这个进程是可写的。

当进程A使用系统调用fork创建一个子进程B时,由于子进程B实际上是父进程A的一个拷贝,

因此会拥有与父进程相同的物理页面.为了节约内存和加快创建速度的目标,fork()函数会让子进程B以只读方式共享父进程A的物理页面.同时将父进程A对这些物理页面的访问权限也设成只读.

这样,当父进程A或子进程B任何一方对这些已共享的物理页面执行写操作时,都会产生页面出错异常(pagefault int14)中断,此时CPU会执行系统提供的异常处理函数dowp_page()来解决这个异常.

dowppage()会对这块导致写入异常中断的物理页面进行取消共享操作,为写进程复制一新的物理页面,使父进程A和子进程B各自拥有一块内容相同的物理页面.最后,从异常处理函数中返回时,CPU就会重新执行刚才导致异常的写入操作指令,使进程继续执行下去.


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