## Copy-on-Write

如果我們要快速建立一個 process，其中一個方法就是 demand paging（有用到的 page 才 load 進 memory），但是如果是用``fork()`` 來建立 process的話，還有另一個類似 page sharing 的方法，既可以免除 demand paging 的需求，又能快速的用最少量的 pages，來 allocate 給新建立的 process

回顧一下 ``fork()`` 這個 system call 會 create 一個和 parent 幾乎一模一樣（除了 pid）的 child process

傳統上要如何做到這件事，就是透過直接複製 parent 的 pages，來建立一份和 parent 相同的 address space 給 child

可是這裡就有一個問題，就是實際上很多 child process 在被建立後不久，馬上就會用 ``exec()`` 去把某個 program load 到它的 address space 來去做別的事，也就蓋掉沒多久前建立時從 parent 那邊複製過來的東西，所以實際上花那麼多時間去 copy 和 parent 相同的東西就有點沒必要了

從這個出發點，我們就會想說乾脆一開始就不要去做這件事，不要多花力氣去 copy 一份一模一樣的東西，child 跟 parent 一開始就先共用那些 parent 原本就有的 pages 就好啦！

這個「child 跟 parent 一開始先共用 pages」的技術，就叫做 <font color = "snake">Copy-on-Write</font>，而這些共用的 pages 也就叫做 <font color = "snake">copy-on-write pages</font>

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可是，如果這時候 parent 和 child 有其中任何一個去寫入這些 pages 呢？
那因為我們有先標記這些 pages 和一般 pages 不同，是 copy-on-write pages，在發生這種情況的時候，被寫到的 shared page 就會有一份 copy 被建立出來

舉例來說：

> 假設有一個 child proces 想要去對某個含有部分 stack 的 page 做變更，然後這個 page 剛好是 copy-on-write page，那 OS 就會去 free frame list 找一個可以使用的 frame，然後複製一份等一下要 child 被更改的 page 的 copy，再把這個新的 copy map 到 child 的 address space，這樣一來，child 在對這個 page 做修改的時候就不會變更到 parent 原本的 page 了！

> 假設這個時候 $process_1$ 想去修改 page C，OS 就會去建立一份 page C 的 copy，再 map 給 $process_1$ 讓 $process_1$ 去改
> 變成下圖：


在這樣的做法之下，只有有被修改過的 pages 需要額外複製一份，其他沒有更動的 pages 就保持共享就好了

- 只有可以被修改的 pages 需要被標註為 copy-on-write pages，如果是本來就不能被 modified 的 pages，例如說 executable code，就直接 share 就好
- 會用到 copy-on-write 技術的 OS 舉例來說有： Windows, Linux, MacOS

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### vfork

我們已經知道可以用 ``fork()`` 加上 copy-on-write 的這個方法了，但除此之外，有些版本的 UNIX 提供了另一種變型的 ``fork()`` 叫做 <font color = "snake">``vfork()``</font> （即<font color = "snake"> virtual memory fork</font>）

``vfork()`` 和 ``fork()`` 加上 copy-on-write 不太一樣，``vfork()`` 的特點就是<font color = "red">沒有使用 copy-on-write</font>
那我們什麼情況需要用到 ``vfork()`` 呢？

像是前面說到的 child 在被建立之後馬上就會執行 ``exec()`` system call 的情況就非常適合，因為 child 會直接去把別的 program load 進來，所以當然也不會去修改到 parent 的 pages 的內容，也就不需要 copy-on-write 啦！

因此，如果是用 ``vfork()``， child 會直接用 parent 的 address space，同時 parent 被 suspended，如果 child 有改到任何 parent 的 pages，在 parent 從 suspend 恢復時，parent 就看得到 child 對哪些 pages 做了哪些變更，但實際上 ``vfork()`` 是拿來像前面所說的功能，所以基本上也不會讓 child 去改動到 parent 的東西

除此之外，因為 child 直接用 parent 的 address space，所以建立時也不用複製任何東西，所以很有效率！所以除了建立 process 以外，``vfork()`` 有時候也會被拿來 implement UNIX 的 command-line shell interface

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## Reference
- 恐龍 10.3