#Linux内存管理# 浅析缺页中断中私有映射且发生写时复制COW的工作原理
案例背景
假设一个进程通过 mmap 系统调用映射了一个文件（data.txt），并设置 私有映射（MAP_PRIVATE）。随后进程尝试修改映射区的数据，此时触发写时复制（Copy-On-Write, COW）机制。
关键步骤解析
1.初始文件内容
data.txt 原始内容：
| A | B | C | D |
物理内存中的页缓存（Page Cache）存放文件内容：
物理页1: [A, B]
物理页2: [C, D]
2.建立私有映射
进程执行：
void *addr = mmap(
NULL,
4096, // 映射4KB
PROT_READ | PROT_WRITE, // 可读写
MAP_PRIVATE, // 私有映射
fd, // data.txt的文件描述符
0 // 文件偏移0
);
此时状态：
进程的页表指向物理页缓存（页1和页2）。
页表权限：设置为只读（即使指定了PROT_WRITE，内核会在COW前保持只读）。
3.读取数据（无COW）
进程读取 addr[0]（值为 A）：
直接访问物理页缓存（页1），无需复制。
无缺页中断，读取速度高效。
4.修改数据（触发COW）
进程尝试修改数据：
addr[0] = 'X'; // 尝试将A改为X
COW流程：
步骤1：CPU检测到写操作，但页表权限为只读 → 触发 缺页中断。
步骤2：内核分配新物理页（页3）：
物理页3: [A, B] // 复制页1的内容
步骤3：更新进程页表
原虚拟地址指向 新物理页3（原页1不再直接映射）。
页表权限改为 可读写。
步骤4：重新执行写操作，将页3的内容修改为：
物理页3: [X, B] // A被改为X
最终状态
物理内存：
页1（原始页缓存）: [A, B] // 未被修改，仍供其他进程读
页2: [C, D] // 未被访问，保持原样
页3（COW新页）: [X, B] // 进程私有副本
文件data.txt内容不变（仍为A,B,C,D）。
进程看到的虚拟地址内容：[X, B, C, D]。
COW的核心机制
步骤 内核操作 物理内存变化
写操作触发中断 CPU检测到只读页的写操作 → 缺页中断 无变化
分配新物理页 内核分配新页，复制原页内容 新增页3（内容复制自页1）
更新页表 修改页表：指向新页 + 权限改为可读写 进程与页1解耦，绑定页3
执行写操作 修改新页内容 页3内容更新（A→X）
COW的优势
1.节省内存
未修改的页（如页2）保持共享，减少冗余复制。
2.高效惰性复制
仅在实际写入时触发复制，避免提前拷贝的开销。
3.数据隔离
进程修改不影响原始文件或其他进程（私有映射特性）。
4.减少I/O
写操作延迟到缺页中断时才处理，避免不必要的磁盘写入
关键代码验证
// 在修改数据后验证文件内容不变
printf("进程内存: %c\n", addr[0]); // 输出 'X'
lseek(fd, 0, SEEK_SET);
char file_buf[4];
read(fd, file_buf, 4);
printf("文件内容: %c\n", file_buf[0]); // 输出 'A' (未修改)
注意：私有映射的修改对文件不可见，对共享该文件的其他进程也不可见。