Copy On Write機制瞭解一下
一、Linux下的copy-on-write
在說明Linux下的copy-on-write機制前，我們首先要知道兩個函式：fork()和exec()。需要注意的是exec()並不是一個特定的函式, 它是一組函式的統稱, 它包括了execl()、execlp()、execv()、execle()、execve()、execvp()。
1.1簡單來用用fork
首先我們來看一下fork()函式是什麼鬼：
fork is an operation whereby a process creates a copy of itself.
fork是類Unix作業系統上建立程序
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新的程序要通過老的程序複製自身得到，這就是fork！
如果接觸過Linux，我們會知道Linux下init程序是所有程序的爹(相當於Java中的Object物件)
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Linux的程序都通過init程序或init的子程序fork(vfork)出來的。
下面以例子說明一下fork吧：
#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main () { pid_t fpid; //fpid表示fork函式返回的值 int count=0; // 呼叫fork，創建出子程序 fpid=fork(); // 所以下面的程式碼有兩個程序執行！ if (fpid < 0) printf("建立程序失敗!/n"); else if (fpid == 0) { printf("我是子程序，由父程序fork出來/n"); count++; } else { printf("我是父程序/n"); count++; } printf("統計結果是: %d/n",count); return 0; }
得到的結果輸出為：
我是子程序，由父程序fork出來
統計結果是: 1
我是父程序
統計結果是: 1
解釋一下：
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fork作為一個函式被呼叫。這個函式會有兩次返回，將子程序的PID返回給父程序，0返回給子程序。(如果小於0，則說明建立子程序失敗)。
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再次說明：當前程序呼叫
fork()，會建立一個跟當前程序完全相同的子程序(除了pid)，所以子程序同樣是會執行fork()之後的程式碼。
所以說：
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父程序在執行if程式碼塊的時候，
fpid變數的值是子程序的pid -
子程序在執行if程式碼塊的時候，
fpid變數的值是0
1.2再來看看exec()函式
從上面我們已經知道了fork會建立一個子程序。子程序的是父程序的副本。
exec函式的作用就是：裝載一個新的程式（可執行映像）覆蓋當前程序記憶體空間中的映像，從而執行不同的任務。
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exec系列函式在執行時會直接替換掉當前程序的地址空間。
我去畫張圖來理解一下：
exec函式的作用
參考資料：
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程式設計師必備知識——fork和exec函式詳解https://blog.csdn.net/bad_good_man/article/details/49364947
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linux中fork（）函式詳解（原創！！例項講解）：https://blog.csdn.net/jason314/article/details/5640969
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linux c語言 fork() 和 exec 函式的簡介和用法：https://blog.csdn.net/nvd11/article/details/8856278
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Linux下Fork與Exec使用：https://www.cnblogs.com/hicjiajia/archive/2011/01/20/1940154.html
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Linux 系統呼叫 —— fork()核心原始碼剖析：https://blog.csdn.net/chen892704067/article/details/76596225
1.3回頭來看Linux下的COW是怎麼一回事
fork()會產生一個和父程序完全相同的子程序(除了pid)
如果按傳統的做法，會直接將父程序的資料拷貝到子程序中，拷貝完之後，父程序和子程序之間的資料段和堆疊是相互獨立的。
父程序的資料拷貝到子程序中
但是，以我們的使用經驗來說：往往子程序都會執行exec()來做自己想要實現的功能。
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所以，如果按照上面的做法的話，建立子程序時複製過去的資料是沒用的(因為子程序執行
exec()，原有的資料會被清空)
既然很多時候複製給子程序的資料是無效的，於是就有了Copy On Write這項技術了，原理也很簡單：
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fork創建出的子程序，與父程序共享記憶體空間。也就是說，如果子程序不對記憶體空間進行寫入操作的話，記憶體空間中的資料並不會複製給子程序，這樣建立子程序的速度就很快了！(不用複製，直接引用父程序的物理空間)。
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並且如果在fork函式返回之後，子程序第一時間exec一個新的可執行映像，那麼也不會浪費時間和記憶體空間了。
另外的表達方式：
在fork之後exec之前兩個程序用的是相同的物理空間（記憶體區），子程序的程式碼段、資料段、堆疊都是指向父程序的物理空間，也就是說，兩者的虛擬空間不同，但其對應的物理空間是同一個。
當父子程序中有更改相應段的行為發生時，再為子程序相應的段分配物理空間。
如果不是因為exec，核心會給子程序的資料段、堆疊段分配相應的物理空間（至此兩者有各自的程序空間，互不影響），而程式碼段繼續共享父程序的物理空間（兩者的程式碼完全相同）。
而如果是因為exec，由於兩者執行的程式碼不同，子程序的程式碼段也會分配單獨的物理空間。
Copy On Write技術實現原理：
fork()之後，kernel把父程序中所有的記憶體頁的許可權都設為read-only，然後子程序的地址空間指向父程序。當父子程序都只讀記憶體時，相安無事。當其中某個程序寫記憶體時，CPU硬體檢測到記憶體頁是read-only的，於是觸發頁異常中斷（page-fault），陷入kernel的一箇中斷例程。中斷例程中，kernel就會把觸發的異常的頁複製一份，於是父子程序各自持有獨立的一份。
Copy On Write技術好處是什麼？
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COW技術可減少分配和複製大量資源時帶來的瞬間延時。
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COW技術可減少不必要的資源分配。比如fork程序時，並不是所有的頁面都需要複製，父程序的程式碼段和只讀資料段都不被允許修改，所以無需複製。
Copy On Write技術缺點是什麼？
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如果在fork()之後，父子程序都還需要繼續進行寫操作，那麼會產生大量的分頁錯誤(頁異常中斷page-fault)，這樣就得不償失。
幾句話總結Linux的Copy On Write技術：
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fork出的子程序共享父程序的物理空間，當父子程序有記憶體寫入操作時，read-only記憶體頁發生中斷，將觸發的異常的記憶體頁複製一份(其餘的頁還是共享父程序的)。
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fork出的子程序功能實現和父程序是一樣的。如果有需要，我們會用
exec()把當前程序映像替換成新的程序檔案，完成自己想要實現的功能。
參考資料：
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Linux程序基礎：http://www.cnblogs.com/vamei/archive/2012/09/20/2694466.html
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Linux寫時拷貝技術(copy-on-write)http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/20/2601655.html
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當你在 Linux 上啟動一個程序時會發生什麼？https://zhuanlan.zhihu.com/p/33159508
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Linux fork()所謂的寫時複製(COW)到最後還是要先複製再寫嗎？https://www.zhihu.com/question/265400460
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寫時拷貝（copy－on－write） COW技術https://blog.csdn.net/u012333003/article/details/25117457
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Copy-On-Write 寫時複製原理https://blog.csdn.net/ppppppppp2009/article/details/22750939
二、解釋一下Redis的COW
基於上面的基礎，我們應該已經瞭解COW這麼一項技術了。
下面我來說一下我對《Redis設計與實現》那段話的理解：
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Redis在持久化時，如果是採用BGSAVE命令或者BGREWRITEAOF的方式，那Redis會fork出一個子程序來讀取資料，從而寫到磁碟中。
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總體來看，Redis還是讀操作比較多。如果子程序存在期間，發生了大量的寫操作，那可能就會出現很多的分頁錯誤(頁異常中斷page-fault)，這樣就得耗費不少效能在複製上。
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而在rehash階段上，寫操作是無法避免的。所以Redis在fork出子程序之後，將負載因子閾值提高，儘量減少寫操作，避免不必要的記憶體寫入操作，最大限度地節約記憶體。
參考資料：
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fork()後copy on write的一些特性：https://zhoujianshi.github.io/articles/2017/fork()%E5%90%8Ecopy%20on%20write%E7%9A%84%E4%B8%80%E4%BA%9B%E7%89%B9%E6%80%A7/index.html
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寫時複製：https://miao1007.github.io/gitbook/java/juc/cow/
三、檔案系統的COW
下面來看看檔案系統中的COW是啥意思：
Copy-on-write在對資料進行修改的時候，不會直接在原來的資料位置上進行操作，而是重新找個位置修改，這樣的好處是一旦系統突然斷電，重啟之後不需要做Fsck。好處就是能保證資料的完整性，掉電的話容易恢復。
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比如說：要修改資料塊A的內容，先把A讀出來，寫到B塊裡面去。如果這時候斷電了，原來A的內容還在！
參考資料：
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檔案系統中的 copy-on-write 模式有什麼具體的好處？https://www.zhihu.com/question/19782224/answers/created
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新一代 Linux 檔案系統 btrfs 簡介:https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-btrfs/
最後
最後我們再來看一下寫時複製的思想(摘錄自維基百科)：
寫入時複製（英語：Copy-on-write，簡稱COW）是一種計算機程式設計領域的優化策略。其核心思想是，如果有多個呼叫者（callers）同時請求相同資源（如記憶體或磁碟上的資料儲存），他們會共同獲取相同的指標指向相同的資源，直到某個呼叫者試圖修改資源的內容時，系統才會真正複製一份專用副本（private copy）給該呼叫者，而其他呼叫者所見到的最初的資源仍然保持不變。這過程對其他的呼叫者都是透明的（transparently）。此作法主要的優點是如果呼叫者沒有修改該資源，就不會有副本（private copy）被建立，因此多個呼叫者只是讀取操作時可以共享同一份資源。
至少從本文我們可以總結出：
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Linux通過Copy On Write技術極大地減少了Fork的開銷。
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檔案系統通過Copy On Write技術一定程度上保證資料的完整性。
其實在Java裡邊，也有Copy On Write技術。
Java中的COW