释放未更改的“写时复制”内存

Question

我理解写时复制的概念。当我进行fork时，堆被标记为CoW（写时复制），当任何进程尝试更改它时，都会创建一个副本。问题是：在子进程中是否仍然需要释放它？假设父进程有一个动态char *数组，然后进行fork。子进程打印一些const char并退出。子进程根本没有修改堆。这样会造成内存泄漏吗？

编辑：我的子进程在堆上打印数组，但不修改它。如果我不释放该数组，则Valgrind表示存在内存泄漏。释放后没有泄漏/内存错误。

- Krzysiek

Answer 1

CoW只是一种懒惰的优化。你可能认为fork()总是在没有延迟的情况下完全复制进程（至少是内存方面）。但是……

如果您准备了动态数据块以“传递”给fork的子进程，那么在fork之后，您就有了两个具有两个动态数据块的进程：父进程和子进程（都是副本）。当子进程退出时，它的内存副本会被回收，但是父进程应该在fork之后自行释放该块。

为了更加清晰，这里有一个例子：

char *buf = malloc(123456);
// … fill buf for child …

int res = fork();

if (res == -1) {
    fprintf(stderr, "fork failed\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

if (res == 0) {
    // this is child process
    // … do work with buf …
    _Exit(EXIT_SUCCESS); // child reclaims buf by means of exit
}

// this is parent process
free(buf); // we don't need it in parent

// … other parent tasks here …

CoW 在 fork-exec 技术中也非常有用，其中子进程仅使用准备好的参数执行 exec。exec 用指定的可执行映像替换当前进程，保留打开的文件描述符和其他内容（更多信息请参见 man 2 execve）。在这种 fork 后，唯一复制的页面只是当前的栈帧，使 fork-exec 非常有效。

某些系统还提供了 vfork，它是 fork 的非常限制和不公平版本，但在没有 CoW 的系统上，这是实现高效 vfork-exec 的唯一方式。

- user3125367

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所以即使实现了CoW并且内存没有被子进程修改，我仍然需要释放它吗？ - Krzysiek

@Krzysiek: 是的，你必须释放它。一旦原始程序退出，forked程序中会剩下一份内存副本，需要释放它。如果你没有释放它，forked程序将会不断消耗更多的内存。当然，所有内存都将在程序退出时被释放。 - Zan Lynx

@Krzysiek CoW是一种理论观察的结果，即子进程只更改某些页面，而不是所有页面。 因此，延迟复制可以带来巨大的好处，因为有些页面根本不需要被复制。 这完全是内核端的不可见优化，与常规内存管理无关。请记住：如果您分配了内存，则有责任使用“free”或“exit”释放它。 如果进行fork操作，则责任也加倍。 - user3125367

@Krzysiek 添加了一个示例。 - user3125367

Answer 2

首先是逻辑视角（以进程为中心）：

当您分叉一个进程时，整个地址空间将按原样复制到一个新的进程中。您的堆在两个进程中都被重复使用，就像如果fork()没有被调用一样。两个进程都可以释放在fork()之前完成的分配，并且如果他们想要重新使用与该分配相关联的地址范围，则必须这样做。 CoW映射只是不改变这些语义的优化。

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现在是物理视角（以系统为中心）：

您的系统内核不知道您使用malloc()分配的数据范围，它只知道它已经为进程分配了内存页面。当您调用fork()时，它将所有这些页面标记为CoW，并从两个进程引用它们。如果其中任何一个进程在其他进程仍然存在时写入任何CoW页面，则会陷入系统中，而系统会复制整个页面。如果其中一个进程退出，它至少会降低这些页面的引用计数，以使它们不必再被复制。

那么，在子进程退出之前调用free()会发生什么？
好吧，free()函数很可能会写入包含内存分配的页面，以告知malloc()该块再次可用。这将陷入系统并复制页面，预计此操作需要花费一两微秒的时间。如果您的父进程在子进程仍然存在时调用free()，同样会发生这种情况。但是，如果您的子级不释放页面并退出，则内核将知道它不必再执行CoW了。如果父级在此之后释放并重用内存区域，则无需进行复制。

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我假设，你的子进程只是检查了一些错误条件，如果满足就立即退出。在这种情况下，最谨慎的方法是忘记在子进程中调用free()，让系统自己完成它的工作。

- cmaster - reinstate monica