c - fork() 中的写时复制如何工作？

Question

我想知道 fork() 中的写时复制是如何发生的。

假设我们有一个进程 A，它有一个动态 int 数组:

int *array = malloc(1000000*sizeof(int));

数组中的元素被初始化为一些有意义的值。然后，我们使用 fork() 创建一个子进程，即 B。B 将迭代数组并进行一些计算:

for(a in array){
    a = a+1;
}

1. 我知道B不会马上复制整个数组，但是子B什么时候为数组分配内存呢？在 fork() 期间？
2. 它是一次分配整个数组，还是只为 a = a+1 分配一个整数？
3. a = a+1; 这是怎么发生的？ B 是否从 A 读取数据并将新数据写入自己的数组？

我写了一些代码来探索 COW 的工作原理。我的环境:ubuntu 14.04，gcc4.8.2

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/sysinfo.h>

void printMemStat(){
    struct sysinfo si;
    sysinfo(&si);
    printf("===\n");
    printf("Total: %llu\n", si.totalram);
    printf("Free: %llu\n", si.freeram);
}

int main(){
    long len = 200000000;
    long *array = malloc(len*sizeof(long));
    long i = 0;
    for(; i<len; i++){
        array[i] = i;
    }

    printMemStat();
    if(fork()==0){
        /*child*/
        printMemStat();

        i = 0;
        for(; i<len/2; i++){
            array[i] = i+1;
        }

        printMemStat();

        i = 0;
        for(; i<len; i++){
            array[i] = i+1;
        }

        printMemStat();

    }else{
        /*parent*/
        int times=10;
        while(times-- > 0){
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

fork()后，子进程修改数组中的一半数，然后修改整个数组。输出是:

===
Total: 16694571008
Free: 2129162240
===
Total: 16694571008
Free: 2126106624
===
Total: 16694571008
Free: 1325101056
===
Total: 16694571008
Free: 533794816

看来数组并没有整体分配。如果我将第一个修改阶段略微更改为:

i = 0;
for(; i<len/2; i++){
    array[i*2] = i+1;
}

输出将是:

===
Total: 16694571008
Free: 2129924096
===
Total: 16694571008
Free: 2126868480
===
Total: 16694571008
Free: 526987264
===
Total: 16694571008
Free: 526987264

Answer 1

取决于操作系统、硬件架构和 libc。但是，对于最近带有 MMU 的 Linux，是的 fork(2)将与写时复制一起使用。它只会(分配和)复制一些系统结构和页表，但堆页面实际上指向父页面直到写入。

可以使用 clone(2) 对此进行更多控制称呼。和 vfork(2) beeing 一个特殊的变体，它不希望页面被使用。这通常在 exec() 之前使用。

至于分配:malloc() 具有关于请求的内存块(地址和大小)的元信息，C 变量是一个指针(在进程内存堆和堆栈中)。这两个对于 child 来说看起来是一样的(相同的值是因为在两个进程的地址空间中看到相同的底层内存页面)。所以从 C 程序的角度来看，数组已经分配并且变量在进程开始存在时初始化。然而，底层内存页面指向父进程的原始物理页面，因此在修改之前不需要额外的内存页面。

如果子进程分配一个新数组，则取决于它是否适合已经存在的堆页面，或者是否需要增加进程的 brk。在这两种情况下，只有修改后的页面被复制，新页面只被分配给 child 。

这也意味着物理内存可能会在 malloc() 之后用完。 (这很糟糕，因为程序无法检查“随机代码行中的操作”的错误返回码)。一些操作系统不允许这种形式的过度使用:所以如果你 fork 一个进程，它不会分配页面，但它要求它们在那一刻可用(某种程度上保留它们)以防万一。在 Linux 中，这是 configurable and called overcommit-accounting .