プロセスの生成 コピーオンライトを使ったfork編

以下動画のテキストです。
https://youtu.be/Vf98YqydrWw

1. プロセスの生成 コピーオンライトを使った fork編 Dec. 28th, 2024 Satoru Takeuchi X: satoru_takeuchi 1
2. はじめに • 過去動画ではfork時に親プロセスのメモリをコピーする単純なモデルで説明してい た • 本動画ではLinuxにおけるforkの実際の挙動を説明する ◦ 実際は仮想記憶の機能を応用してメモリのフルコピーをしていない ◦ そのためforkの実行コストは低い • 事前に必要な知識 ◦ fork関数についての基礎知識 ◦ 仮想記憶、ページテーブルについての基礎知識 • 関連動画 ◦ Linuxのメモリ管理入門 プロセスごとに違う世界を見せる仮想記憶 ◦ 仮想アドレスから 物理アドレスにはどうやって変換するの ? ◦ プロセスの生成 fork編 2
3. おさらい: 仮想アドレス空間とページテーブル 3 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスAのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 0-100 100-200 100-200 200-300 ページサイズ プロセスAのページテーブル (カーネルメモリ上に存在 ) 100 ページテーブルエントリ 物理アドレス
4. forkの挙動 • これまでの説明 ◦ 親プロセスのメモリを子プロセスにコピー • 実際のもの ◦ 親プロセスと子プロセスのページテーブルだけをコピー ◦ 親子プロセスがメモリを共有 4
5. fork後のメモリマップ 5 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスA,Bのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 0-100 100-200 100-200 200-300 プロセスAのページテーブル 100 物理アドレス 0 200 100 プロセスAからforkした プロセスBの仮想アドレス 仮想アドレス 物理アドレス 0-100 100-200 100-200 200-300 プロセスBのページテーブル コピー
6. 疑問: fork後にメモリに書き込みができないのでは? 6 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスA,Bのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 0-100 100-200 100-200 200-300 プロセスAのページテーブル 100 物理アドレス 0 200 100 プロセスBの仮想アドレス 仮想アドレス 物理アドレス 0-100 100-200 100-200 200-300 プロセスBのページテーブル
7. 解決策: コピーオンライト技術を使う • ページテーブルエントリには書き込み可否を決められるフラグがある • 親子プロセスが共有するメモリ(ページ)は書き込み不可にする • メモリへの書き込みが発生した場合は以下のような処理をする 1. 書き込みと同時にページフォールト例外発生 2. ページフォールトハンドラが書き込まれたページをコピー 3. ページテーブルエントリを変更 4. 例外から復帰する • 書き込み時にメモリをコピーするので「Copy-on-Write(CoW)」と呼ばれる 7
8. fork後のメモリマップ with 書き込み可能ビット 8 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスA,Bのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスAのページテーブル 100 物理アドレス 0 200 100 プロセスBの仮想アドレス 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスBのページテーブル
9. fork後に書き込み発生 9 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスA,Bのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスAのページテーブル 100 物理アドレス 0 200 100 プロセスBの仮想アドレス 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスBのページテーブル 書き込み
10. 当該ページは書き込み不可なのでページフォールト発生 10 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスA,Bのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスAのページテーブル 100 物理アドレス 0 200 100 プロセスBの仮想アドレス 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスBのページテーブル 書き込み ページフォールト 例外発生
11. ページフォールトハンドラがメモリをコピー 11 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスAのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスAのページテーブル 100 物理アドレス 0 200 100 プロセスBの仮想アドレス 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 × 100-200 200-300 × プロセスBのページテーブル 書き込み プロセスA,Bのメモリ プロセスBのメモリ コピー
12. ページテーブルエントリを設定 12 プロセスAの仮想アドレス 0 200 物理メモリ 0 プロセスAのメモリ 500 600 100 200 300 400 700 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 100-200 〇 100-200 200-300 × プロセスAのページテーブル 100 物理アドレス 0 200 100 プロセスBの仮想アドレス 仮想アドレス 物理アドレス 書き込み可能 0-100 300-400 〇 100-200 200-300 × プロセスBのページテーブル 書き込み プロセスA,Bのメモリ プロセスBのメモリ コピー
13. CoWを使う嬉しさ • forkの所要時間が削減できる • forkによるメモリ使用量の増加が減らせる 13
14. まとめ • fork()は仮想記憶を応用したコピーオンライト(CoW)技術を使っているため、高速、 かつ、メモリ使用量が少ない • かっこいい 14