Copy-On-Write Overview

随着阅历的增长，越发感慨在千差万别的软件中总能找到某些非常相通相似的思想、技术或者算法，比如 Copy On Write(写时复制) 便是资源管理方面的一种优化技术，广泛的应用于软件开发(如 Java 的 Copy On Write 容器)、虚拟内存管理(如进程的 fork、qemu-kvm 虚拟机镜像乃至 Docker 的 AUFS 文件系统等等。维基百科的定义如下：

Copy-on-write (COW), sometimes referred to as implicit sharing or shadowing, is a resource management technique used in computer programming to efficiently implement a “duplicate” or “copy” operation on modifiable resources. If a resource is duplicated but not modified, it is not necessary to create a new resource; the resource can be shared between the copy and the original. Modifications must still create a copy, hence the technique: the copy operation is deferred to the first write. By sharing resources in this way, it is possible to significantly reduce the resource consumption of unmodified copies, while adding a small overhead to resource-modifying operations.

通俗的解释，假定多方需要使用同一个资源时，没有必要为每一方都创建该资源的一个完整的副本，反而令多方共享这个资源，当某方需要修改资源的某处时，利用引用计数，把该处复制一个副本，再把跟新的内容写入该副本中，从而节省创建多个完整副本时带来的空间和时间上的开销。

                             Resource 

                             +-------+
                             |   1   |
                             +-------+
User A   ---->               |   2   |               <---- User B
                             +-------+          
                             |   3   |
                             +-------+                             

当 A 需更新 Block 1 时，A 新建 New 1 Block，并把新的内容写入该 Block，从而避免影响 B 的 Block 1。同理，当 B 需更新 Block 3 时，B 新建 New 3 Block，并把新的内容写入该 Block，避免影响 A 的 Block 3。

                             Resource 

                +-------+    +-------+
                | New 1 |    |   1   |
                +-------+    +-------+
User A   ---->               |   2   |               <---- User B
                             +-------+    +-------+          
A see: New 1, 2, 3           |   3   |    | New 3 |        B see: 1, 2, New 3
                             +-------+    +-------+

Example

C++ STL String Class

C ++ 曾在性能问题上被广泛地质疑指责过，为了提升性能，STL 的许多类采用了 Copy-On-Write 技术。Coolshell 博文 C++ STL string 的 Copy-On-Write 技术详细的从 C++ 层面介绍改技术。例如：

#include <stdio.h>
#include <string>
using namespace std;
  
main()
{
    string str1 = "hello world";
    string str2 = str1;
 
    printf ("Sharing the memory:/n");
    printf ("/tstr1's address: %x/n", str1.c_str() );
    printf ("/tstr2's address: %x/n", str2.c_str() );
 
    str1[1]='q';
    str2[1]='w';
 
    printf ("After Copy-On-Write:/n");
    printf ("/tstr1's address: %x/n", str1.c_str() );
    printf ("/tstr2's address: %x/n", str2.c_str() );
}

运行结果如下：

> g++ -o stringTest stringTest.cpp
> ./stringTest
Sharing the memory:
        str1's address: 343be9
        str2's address: 343be9
After Copy-On-Write:
        str1's address: 3407a9
        str2's address: 343be9

Fork()

早期的 Unix 在实现 fork 系统调用时，并没有使用该技术，创建新进程的开销很大。出于效率考虑，Copy On Write 技术引入到进程中，fork 之后的父进程和子进程完全共享数据段、代码段、堆和栈等的完全副本，而且内核将共享的地址空间的访问权限改变为只读，如果父进程和紫金陈中的任何一个仕途修改这些区域，则内核职位修改区域的那块内存制作一个副本，通常是虚拟存储系统中的一“页”(引自 Unix 高级环境编程)。

Qcow2 image

Qcow2(QEMU Copy On Write) 是格式镜像是 qemu 模拟器支持的一种镜像，和普通的 Raw 格式镜像相比，具有以下优点：

更小的空间占用
支持 Copy On Write.
支持多级快照
支持压缩
支持 AES

经过多次优化，Qcow2 镜像的性能已经逼近 Raw 格式的镜像，所以 OpenStack 的虚拟机多采用 Qcow2 镜像。

ide 驱动时的性能对比：

cache                      off         writethrough      writeback
Old qcow2 (0.10.5)         16:52 min   28:58 min         6:02 min
New qcow2 (0.11.0-rc1)     5:44 min    9:18 min          6:11 min
raw                        5:41 min    7:24 min          6:03 min

virtio 驱动时的性能对比：

cache                      off         writeback
Old qcow2 (0.10.5)         31:09 min   8:00 min
New qcow2 (0.11.0-rc1)     18:35 min   8:41 min
raw                        8:48 min    7:51 min

除了镜像格式以外，很多文件系统都使用了 Copy-On-Write 技术，以节省空间、提升效率和更好的支持快照。