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前言
只有光头才能变强
在读《Redis 设计与实现》关于哈希表扩容的时候，发现这么一段话：
执行 BGSAVE 命令或者 BGREWRITEAOF 命令的过程中，Redis 需要创建当前服务器进程的子进程，而大多数操作系统都采用写时复制（copy-on-write）来优化子进程的使用效率，所以在子进程存在期间，服务器会提高负载因子的阈值，从而避免在子进程存在期间进行哈希表扩展操作，避免不必要的内存写入操作，最大限度地节约内存。
触及到知识的盲区了，于是就去搜了一下 copy-on-write 写时复制这个技术究竟是怎么样的。发现涉及的东西蛮多的，也挺难读懂的。于是就写下这篇笔记来记录一下我学习 copy-on-write 的过程。
本文力求简单讲清 copy-on-write 这个知识点，希望大家看完能有所收获。
一、Linux 下的 copy-on-write
在说明 Linux 下的 copy-on-write 机制前，我们首先要知道两个函数：fork()和 exec()。需要注意的是 exec()并不是一个特定的函数, 它是一组函数的统称, 它包括了 execl()、execlp()、execv()、execle()、execve()、execvp()。
1.1 简单来用用 fork
首先我们来看一下 fork()函数是什么鬼：
fork is an operation whereby a process creates a copy of itself.
fork 是类 Unix 操作系统上创建进程的主要方法。fork 用于创建子进程(等同于当前进程的副本)。
新的进程要通过老的进程复制自身得到，这就是 fork！
如果接触过 Linux，我们会知道 Linux 下 init 进程是所有进程的爹(相当于 Java 中的 Object 对象)
Linux 的进程都通过 init 进程或 init 的子进程 fork(vfork)出来的。
下面以例子说明一下 fork 吧：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main ()
{
pid_t fpid; //fpid 表示 fork 函数返回的值
int count=0;
// 调用 fork，创建出子进程
fpid=fork();
// 所以下面的代码有两个进程执行！
if (fpid < 0)
printf(“ 创建进程失败!/n”);
else if (fpid == 0) {
printf(“ 我是子进程，由父进程 fork 出来 /n”);
count++;
}
else {
printf(“ 我是父进程 /n”);
count++;
}
printf(“ 统计结果是: %d/n”,count);
return 0;
}
得到的结果输出为：
我是子进程，由父进程 fork 出来
统计结果是: 1
我是父进程
统计结果是: 1
解释一下：
fork 作为一个函数被调用。这个函数会有两次返回，将子进程的 PID 返回给父进程，0 返回给子进程。(如果小于 0，则说明创建子进程失败)。
再次说明：当前进程调用 fork()，会创建一个跟当前进程完全相同的子进程 (除了 pid)，所以子进程同样是会执行 fork() 之后的代码。
所以说：
父进程在执行 if 代码块的时候，fpid 变量的值是子进程的 pid
子进程在执行 if 代码块的时候，fpid 变量的值是 0
1.2 再来看看 exec()函数
从上面我们已经知道了 fork 会创建一个子进程。子进程的是父进程的副本。
exec 函数的作用就是：装载一个新的程序（可执行映像）覆盖当前进程内存空间中的映像，从而执行不同的任务。
exec 系列函数在执行时会直接替换掉当前进程的地址空间。
我去画张图来理解一下：
参考资料：
程序员必备知识——fork 和 exec 函数详解 https://blog.csdn.net/bad_good_man/article/details/49364947
linux 中 fork（）函数详解（原创！！实例讲解）：https://blog.csdn.net/jason314/article/details/5640969
linux c 语言 fork() 和 exec 函数的简介和用法：https://blog.csdn.net/nvd11/article/details/8856278
Linux 下 Fork 与 Exec 使用：https://www.cnblogs.com/hicjiajia/archive/2011/01/20/1940154.html
Linux 系统调用 —— fork()内核源码剖析：https://blog.csdn.net/chen892704067/article/details/76596225
1.3 回头来看 Linux 下的 COW 是怎么一回事
fork()会产生一个和父进程完全相同的子进程(除了 pid)
如果按传统的做法，会直接将父进程的数据拷贝到子进程中，拷贝完之后，父进程和子进程之间的数据段和堆栈是相互独立的。
但是，以我们的使用经验来说：往往子进程都会执行 exec()来做自己想要实现的功能。
所以，如果按照上面的做法的话，创建子进程时复制过去的数据是没用的(因为子进程执行 exec()，原有的数据会被清空)
既然很多时候复制给子进程的数据是无效的，于是就有了 Copy On Write 这项技术了，原理也很简单：
fork 创建出的子进程，与父进程共享内存空间。也就是说，如果子进程不对内存空间进行写入操作的话，内存空间中的数据并不会复制给子进程，这样创建子进程的速度就很快了！(不用复制，直接引用父进程的物理空间)。
并且如果在 fork 函数返回之后，子进程第一时间 exec 一个新的可执行映像，那么也不会浪费时间和内存空间了。
另外的表达方式：
在 fork 之后 exec 之前两个进程用的是相同的物理空间（内存区），子进程的代码段、数据段、堆栈都是指向父进程的物理空间，也就是说，两者的虚拟空间不同，但其对应的物理空间是同一个。当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段分配物理空间。
如果不是因为 exec，内核会给子进程的数据段、堆栈段分配相应的物理空间（至此两者有各自的进程空间，互不影响），而代码段继续共享父进程的物理空间（两者的代码完全相同）。
而如果是因为 exec，由于两者执行的代码不同，子进程的代码段也会分配单独的物理空间。
Copy On Write 技术实现原理：
fork()之后，kernel 把父进程中所有的内存页的权限都设为 read-only，然后子进程的地址空间指向父进程。当父子进程都只读内存时，相安无事。当其中某个进程写内存时，CPU 硬件检测到内存页是 read-only 的，于是触发页异常中断（page-fault），陷入 kernel 的一个中断例程。中断例程中，kernel 就会把触发的异常的页复制一份，于是父子进程各自持有独立的一份。
Copy On Write 技术好处是什么？
COW 技术可减少分配和复制大量资源时带来的瞬间延时。
COW 技术可减少不必要的资源分配。比如 fork 进程时，并不是所有的页面都需要复制，父进程的代码段和只读数据段都不被允许修改，所以无需复制。
Copy On Write 技术缺点是什么？
如果在 fork()之后，父子进程都还需要继续进行写操作，那么会产生大量的分页错误(页异常中断 page-fault)，这样就得不偿失。
几句话总结 Linux 的 Copy On Write 技术：
fork 出的子进程共享父进程的物理空间，当父子进程有内存写入操作时，read-only 内存页发生中断，将触发的异常的内存页复制一份(其余的页还是共享父进程的)。
fork 出的子进程功能实现和父进程是一样的。如果有需要，我们会用 exec()把当前进程映像替换成新的进程文件，完成自己想要实现的功能。
参考资料：
Linux 进程基础：http://www.cnblogs.com/vamei/archive/2012/09/20/2694466.html
Linux 写时拷贝技术(copy-on-write)http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/20/2601655.html
当你在 Linux 上启动一个进程时会发生什么？https://zhuanlan.zhihu.com/p/33159508
Linux fork()所谓的写时复制 (COW) 到最后还是要先复制再写吗？https://www.zhihu.com/question/265400460
写时拷贝（copy-on-write）COW 技术 https://blog.csdn.net/u012333003/article/details/25117457
Copy-On-Write 写时复制原理 https://blog.csdn.net/ppppppppp2009/article/details/22750939
二、解释一下 Redis 的 COW
基于上面的基础，我们应该已经了解 COW 这么一项技术了。
下面我来说一下我对《Redis 设计与实现》那段话的理解：
Redis 在持久化时，如果是采用 BGSAVE 命令或者 BGREWRITEAOF 的方式，那 Redis 会 fork 出一个子进程来读取数据，从而写到磁盘中。
总体来看，Redis 还是读操作比较多。如果子进程存在期间，发生了大量的写操作，那可能就会出现很多的分页错误(页异常中断 page-fault)，这样就得耗费不少性能在复制上。
而在 rehash 阶段上，写操作是无法避免的。所以 Redis 在 fork 出子进程之后，将负载因子阈值提高，尽量减少写操作，避免不必要的内存写入操作，最大限度地节约内存。
参考资料：
fork()后 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%E5%90%8Ecopy%20on%20write%E7%9A%84%E4%B8%80%E4%BA%9B%E7%89%B9%E6%80%A7/index.html)
写时复制：https://miao1007.github.io/gitbook/java/juc/cow/
三、文件系统的 COW
下面来看看文件系统中的 COW 是啥意思：
Copy-on-write 在对数据进行修改的时候，不会直接在原来的数据位置上进行操作，而是重新找个位置修改，这样的好处是一旦系统突然断电，重启之后不需要做 Fsck。好处就是能保证数据的完整性，掉电的话容易恢复。
比如说：要修改数据块 A 的内容，先把 A 读出来，写到 B 块里面去。如果这时候断电了，原来 A 的内容还在！
参考资料：
文件系统中的 copy-on-write 模式有什么具体的好处？https://www.zhihu.com/question/19782224/answers/created
新一代 Linux 文件系统 btrfs 简介:https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-btrfs/
最后
最后我们再来看一下写时复制的思想(摘录自维基百科)：
写入时复制（英语：Copy-on-write，简称 COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（callers）同时请求相同资源（如内存或磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者试图修改资源的内容时，系统才会真正复制一份专用副本（private copy）给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的（transparently）。此作法主要的优点是如果调用者没有修改该资源，就不会有副本（private copy）被建立，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。
至少从本文我们可以总结出：
Linux 通过 Copy On Write 技术极大地减少了 Fork 的开销。
文件系统通过 Copy On Write 技术一定程度上保证数据的完整性。
其实在 Java 里边，也有 Copy On Write 技术。
这部分留到下一篇来说，敬请期待~
如果大家有更好的理解方式或者文章有错误的地方还请大家不吝在评论区留言，大家互相学习交流~~~
参考资料：
写时复制，写时拷贝，写时分裂，Copy on write：https://my.oschina.net/dubenju/blog/815836
不会产奶的 COW(Copy-On-Write)https://www.jianshu.com/p/b2fb2ee5e3a0
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