Linux 進程創建記憶體細節：fork、Copy-on-Write 與地址空間繼承

Linux 進程創建記憶體細節：fork 與 Copy-on-Write

fork() 創建子進程時，記憶體佈局發生什麼變化？理解這一機制對高效編寫多進程程式、診斷記憶體問題至關重要。

核心記憶體分區繼承規則

詳細機制解析

1. 獨立地址空間：子進程擁有完整虛擬地址空間副本，邏輯地址相同，物理頁框初始共享
2. 代碼段共享：不可寫，天然共享，節省記憶體
3. 資料/堆/堆疊 COW：頁表標記為唯讀，父子共用物理頁。任一方嘗試寫入 → 頁面錯誤 → 內核分配新物理頁、複製內容、更新頁表 → 寫入完成
4. 無直接複製：fork() 只複製頁表、建立 COW 標記，不複製實際內容，極快（微秒級）
5. 寫時複製觸發：子進程修改變數、execve() 載入新程式、malloc/free 操作堆
6. 修改隔離：COW 後物理頁分離，父子互不影響
7. 效能優勢：避免不必要的複製，特別是大量記憶體的進程 fork() 後立即 exec()（Shell 啟動程式典型模式）

驗證程式：觀察 COW 行為

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int global = 100;

int main() {
    int local = 200;
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) {  // 子進程
        printf("Child: global=%d (addr=%p), local=%d (addr=%p)\n",
               global, &global, local, &local);
        global = 300;  // 觸發 COW
        local = 400;
        printf("Child after write: global=%d, local=%d\n", global, local);
    } else {  // 父進程
        sleep(1);  // 等待子進程修改
        printf("Parent: global=%d (addr=%p), local=%d (addr=%p)\n",
               global, &global, local, &local);
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

輸出：

Child: global=100 (addr=0x55a...), local=200 (addr=0x7ff...)
Child after write: global=300, local=400
Parent: global=100 (addr=0x55a...), local=200 (addr=0x7ff...)

虛擬地址相同，物理頁寫入後分離，父進程數值未變。

進階：vfork() 與 clone()

• vfork()：不複製頁表，子進程在父進程地址空間直接運行，禁止修改記憶體，僅用於緊接 exec()，現代 Linux 已合併實現
• clone()：底層系統呼叫，fork()/pthread_create()/vfork() 均基於此，透過 flags 控制共享程度 (CLONE_VM, CLONE_FS, CLONE_FILES...)

實務建議

1. fork() 後盡快 exec() 或 _exit()，減少 COW 開銷
2. 大記憶體進程避免頻繁 fork()，考慮 posix_spawn() 或線程池
3. 子進程只讀父進程資料時，COW 零開銷共享極高效
4. 多進程共享記憶體需顯式 mmap(MAP_SHARED) 或 System V 共享記憶體