写时复制技术（详解版）

我们知道了一个进程如何采用请求调页，仅调入包括第一条指令的页面，从而能够很 快开始执行。然而，通过系统调用 fork() 的进程创建最初可以通过使用类似于页面共享的技术，绕过请求调页的需要。这种技术提供了快速的进程创建，并最小化必须分配给新创建进程的新页面的数量。

回想一下，系统调用 fork() 创建了父进程的一个复制，以作为子进程。传统上，fork() 为子进程创建一个父进程地址空间的副本，复制属于父进程的页面。然而，考虑到许多子进程在创建之后立即调用系统调用 exec()，父进程地址空间的复制可能没有必要。

因此，可以采用一种称为写时复制的技术，它通过允许父进程和子进程最初共享相同的页面来工作。这些共享页面标记为写时复制，这意味着如果任何一个进程写入共享页面，那么就创建共享页面的副本。

图 1 进程 1 修改页面 C 前后

写时复制如图 1 所示，图中分别反映了修改页面 C 的前与后。

例如，假设子进程试图修改包含部分堆栈的页面，并且设置为写时复制。操作系统会创建这个页面的副本，将其映射到子进程的地址空间。然后，子进程会修改复制的页面，而不是属于父进程的页面。显然，当使用写时复制技术时，仅复制任何一进程修改的页面，所有未修改的页面可以由父进程和子进程共享。

还要注意，只有可以修改的页面才需要标记为写时复制。不能修改的页面（包含可执行代码的页面）可以由父进程和子进程共享。写时复制是一种常用技术，为许多操作系统所采用，包括Windows XP、Linux 和 Solaris。

当确定采用写时复制来复制页面时，重要的是注意空闲页面的分配位置。许多操作系统为这类请求提供了一个空闲的页面池。当进程的堆栈或堆要扩展时或有写时复制页面需要管理时，通常分配这些空闲页面。操作系统分配这些页面通常采用称为按需填零的技术。按需填零页面在需要分配之前先填零，因此清除了以前的内容。

UNIX 的多个版本（包括 Solaris 和 Linux）提供了系统调用 fork() 的变种，即 vfork()（虚拟内存fork(virtual memory fork)），vfork() 的操作不同于写时复制的fork()。

采用 vfork()，父进程被挂起，子进程使用父进程的地址空间。因为 vfork() 不采用写时复制，如果子进程修改父地址空间的任何页面，那么这些修改过的页面对于恢复的父进程是可见的。因此，应谨慎使用 vfork()，以确保子进程不会修改父进程的地址空间。当子进程在创建后立即调用 exec() 时，可使用 vfork()。因为没有复制页面，vfork() 是一个非常有效的进程创建方法，有时用于实现 UNIX 命令外壳接口。