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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。