Войти
Копирование при записи (COW ), иногда называемый неявным совместным использованием или затенением, представляет собой метод управления ресурсами, используемый в компьютерном программировании для эффективной реализации «дубликата» или «копии». "работа с изменяемыми ресурсами. Если ресурс дублируется, но не изменяется, нет необходимости создавать новый ресурс; ресурс может использоваться совместно копией и оригиналом. Модификации все равно должны создавать копию, отсюда и техника: операция копирования откладывается до первой записи. Совместное использование ресурсов таким образом позволяет значительно снизить потребление ресурсов немодифицированными копиями, добавляя при этом небольшие накладные расходы на операции по изменению ресурсов.
Копирование при записи находит свое основное применение при совместном использовании виртуальной памяти операционной системы процессов, в реализации системного вызова fork . Обычно процесс не модифицирует память и немедленно выполняет новый процесс, полностью заменяя адресное пространство. Таким образом, было бы расточительно копировать всю память процесса во время вилки, и вместо этого используется техника копирования при записи.
Копирование при записи может быть эффективно реализовано с использованием таблицы страниц, помечая определенные страницы памяти как доступные только для чтения и ведя подсчет количества ссылок на страницу. Когда данные записываются на эти страницы, ядро ядро перехватывает попытку записи и выделяет новую физическую страницу, инициализированную данными копирования при записи, хотя выделение может быть пропущено, если есть только одна ссылка. Затем ядро обновляет таблицу страниц новой (доступной для записи) страницей, уменьшает количество ссылок и выполняет запись. Новое распределение гарантирует, что изменение памяти одного процесса не будет видно в памяти другого.
Метод копирования при записи может быть расширен для поддержки эффективного выделения памяти за счет заполнения страницы физической памяти нулями. Когда память выделена, все возвращенные страницы ссылаются на страницу нулей и все помечаются как копирование при записи. Таким образом, физическая память не выделяется для процесса до тех пор, пока данные не будут записаны, что позволяет процессам резервировать больше виртуальной памяти, чем физическая память, и использовать память редко, рискуя исчерпать виртуальное адресное пространство. Комбинированный алгоритм аналогичен подкачке по запросу.
Страницы копирования при записи также используются в ядре Linux в функции слияния одной страницы ядра.
Загрузка библиотек для приложения также является использованием техники копирования при записи. Динамический компоновщик отображает библиотеки как частные, как показано ниже. Любое действие записи в библиотеки вызовет COW в управлении виртуальной памятью.
openat (AT_FDCWD, "/lib64/libc.so.6", O_RDONLY | O_CLOEXEC) = 3 mmap (NULL, 3906144, PROT_READ | PROT_EXEC, MAP_PRIVATE | MAP_DENYWRITE, 3, 0) mmapced (0x07T0) PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_FIXED | MAP_DENYWRITE, 3, 0x1b0000)
COW также используется в библиотеке, приложении и системе код.
В многопоточных системах COW может быть реализован без использования традиционной блокировки и вместо этого используется сравнение и замена для увеличения или уменьшения внутренний счетчик ссылок. Поскольку исходный ресурс никогда не будет изменен, его можно безопасно скопировать несколькими потоками (после увеличения счетчика ссылок) без необходимости дорогостоящей блокировки, такой как мьютексы. Если счетчик ссылок становится равным 0, то по определению только 1 поток держал ссылку, поэтому ресурс можно безопасно освободить от памяти, опять же без использования дорогостоящих механизмов блокировки. Таким образом, преимущество отсутствия копирования ресурса (и, как следствие, повышение производительности по сравнению с традиционным глубоким копированием) будет справедливо как в однопоточных, так и в многопоточных системах.
Класс string, предоставляемый стандартной библиотекой C ++, был специально разработан, чтобы позволить реализации копирования при записи в исходном C + +98 стандарта, но не в новом стандарте C ++ 11:
std :: string x ("Hello"); std :: string y = x; // x и y используют один и тот же буфер y + = ", World!"; // теперь y использует другой буфер // x все еще использует тот же самый старый буферВ языке программирования PHP все типы, кроме ссылок, реализованы как копирование при записи. Например, строки и массивы передаются по ссылке, но при изменении они дублируются, если имеют ненулевое количество ссылок. Это позволяет им действовать как типы значений без проблем с производительностью, связанных с копированием при назначении или их неизменяемостью.
В структуре Qt многие типы копируются при записи («неявно разделяются "в терминах Qt). Qt использует атомарные операции сравнения и замены для увеличения или уменьшения внутреннего счетчика ссылок. Поскольку копии дешевы, типы Qt часто могут безопасно использоваться несколькими потоками без необходимости использования механизмов блокировки, таких как мьютексы. Таким образом, преимущества COW действительны как в однопоточных, так и в многопоточных системах.
COW также может использоваться в качестве основного механизма для снимков, таких как те, которые предоставляются управлением логическими томами, файловыми системами, такими как Btrfs и ZFS, и серверами баз данных, такими как Microsoft SQL Server. Обычно в моментальных снимках хранятся только измененные данные и они хранятся рядом с основным массивом, поэтому они представляют собой лишь слабую форму инкрементной резервной копии и не могут заменить полную резервную копию. Некоторые системы также используют метод COW, чтобы избежать нечетких резервных копий, которые в противном случае возникают, когда какой-либо файл в наборе файлов, для которого выполняется резервное копирование, изменяется во время этого резервного копирования.
При реализации моментальных снимков существует два метода:
Несмотря на их названия, копирование при записи обычно относится к первому способу. COW выполняет две записи данных по сравнению с записью ROW; его сложно реализовать эффективно, и поэтому он используется нечасто.
Техника копирования при записи может использоваться для имитации хранения чтения-записи на носителях, которые требуют выравнивания износа или физически пишут один раз прочитано много.
qcow2 (QEMU copy on write) формат образа диска использует технику копирования при записи для уменьшения размера образа диска.
Некоторые Live CD (и Live USB ) используют методы копирования при записи, чтобы создать впечатление возможности добавлять и удалять файлы в любом каталоге без собственно внесение каких-либо изменений в компакт-диск (или флешку).
Phantom OS использует COW на всех уровнях, а не только в базе данных или файловой системе. В любой момент компьютер, на котором работает эта система, может выйти из строя, а затем, когда он снова запустится, программное обеспечение и операционная система возобновят работу. Может быть потеряно только небольшое количество работы.
Основной подход заключается в том, что все данные программы хранятся в виртуальной памяти. По некоторому расписанию сводка всех данных программного обеспечения записывается в виртуальную память, образуя журнал, который отслеживает текущее значение и расположение каждого значения.
Когда компьютер выходит из строя, последняя копия журнала и другие данные остаются в безопасности на диске. Когда работа возобновляется, программное обеспечение операционной системы считывает журнал для восстановления согласованных копий всех программ и данных.
Этот подход использует копирование при записи на всех уровнях всего программного обеспечения, включая прикладное программное обеспечение. Это требует поддержки в рамках языка программирования приложений. На практике Phantom OS разрешает только языки, генерирующие байтовые коды Java.
