fork是Unix和類Unix操作系統中用于創建進程的系統調用。fork會創建一個子進程，該子進程幾乎是父進程的完全拷貝，包括代碼段、數據段、堆和棧。然而，為了提高效率，fork使用了一種叫做寫時拷貝（Copy-On-Write, COW）的技術。

寫時拷貝（Copy-On-Write, COW）

基本原理

寫時拷貝的基本思想是：在創建子進程時，不立即復制父進程的內存空間，而是讓父子進程共享同一塊物理內存。只有當其中一個進程嘗試修改這塊內存時，操作系統才會在寫入時進行拷貝，為修改的那塊內存創建一個新的物理內存頁。這種方式節省了內存并提高了性能，特別是在很多情況下，子進程會很快調用exec類函數替換進程鏡像，而無需實際修改父進程的內存。

內存方面的詳細工作機制

1. 內存頁標記為只讀： 當fork系統調用創建子進程時，父進程的內存頁會被標記為只讀（read-only）。父子進程共享這些只讀的內存頁。

2. 頁表復制： 父進程的頁表（page table）會被復制到子進程中，但是這些頁表指向的是相同的物理內存頁。因為頁表項是只讀的，所以兩個進程都不能修改這些內存頁。

3. 頁故障（Page Fault）處理： 當父進程或子進程嘗試寫入某個內存頁時，會觸發頁故障（page fault）。操作系統的頁故障處理程序會檢查這個頁是否標記為寫時拷貝。

4. 實際拷貝： 在觸發頁故障后，操作系統會為該進程分配一個新的物理內存頁，并將原來的內容復制到這個新的頁中。然后，頁表會被更新，指向新的物理內存頁，并將這個頁標記為可寫（writable）。只有在這一時刻，實際的物理內存才會被復制。

5. 內存保護更新： 新的頁表項指向了新分配的物理內存頁后，內存保護會被更新，允許對新內存頁的寫操作。

舉個例子

假設有一個進程P，它的內存布局如下：

+-----------+
| 代碼段     |  -> 共享且只讀
+-----------+
| 數據段     |  -> 寫時拷貝
+-----------+
| 堆         |  -> 寫時拷貝
+-----------+
| 棧         |  -> 寫時拷貝
+-----------+

當進程P調用fork創建子進程C時，初始情況下，父子進程共享所有的物理內存頁，并且這些頁都被標記為只讀。其頁表情況如下：

P 頁表:
+-----------+       +-----------+
| 代碼段     |  -->  | 物理頁1    |
+-----------+       +-----------+
| 數據段     |  -->  | 物理頁2    |
+-----------+       +-----------+
| 堆         |  -->  | 物理頁3    |
+-----------+       +-----------+
| 棧         |  -->  | 物理頁4    |
+-----------+       +-----------+C 頁表:
+-----------+       +-----------+
| 代碼段     |  -->  | 物理頁1    |
+-----------+       +-----------+
| 數據段     |  -->  | 物理頁2    |
+-----------+       +-----------+
| 堆         |  -->  | 物理頁3    |
+-----------+       +-----------+
| 棧         |  -->  | 物理頁4    |
+-----------+       +-----------+

當子進程C嘗試寫入堆時（假設是物理頁3），會觸發頁故障，操作系統執行寫時拷貝：

1. 分配新的物理頁（物理頁5）。
2. 將物理頁3的內容復制到物理頁5。
3. 更新子進程C的頁表，使其堆指向物理頁5，并標記為可寫。

更新后的頁表情況如下：

P 頁表:
+-----------+       +-----------+
| 代碼段     |  -->  | 物理頁1    |
+-----------+       +-----------+
| 數據段     |  -->  | 物理頁2    |
+-----------+       +-----------+
| 堆         |  -->  | 物理頁3    |
+-----------+       +-----------+
| 棧         |  -->  | 物理頁4    |
+-----------+       +-----------+C 頁表:
+-----------+       +-----------+
| 代碼段     |  -->  | 物理頁1    |
+-----------+       +-----------+
| 數據段     |  -->  | 物理頁2    |
+-----------+       +-----------+
| 堆         |  -->  | 物理頁5    |  -> 新分配的頁，可寫
+-----------+       +-----------+
| 棧         |  -->  | 物理頁4    |
+-----------+       +-----------+

此時，子進程C對堆的修改不會影響到父進程P，確保了兩個進程的內存隔離。

優點

1. 節省內存：

   • 使用寫時拷貝技術，父進程和子進程在fork后共享相同的內存頁，直到需要寫入時才進行實際的物理頁拷貝。這種方式減少了內存使用，尤其在子進程迅速調用exec系列函數時優勢明顯。

2. 提高效率：

   • 避免了fork時對所有內存頁進行立即拷貝的昂貴操作，提高了進程創建的效率。