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讓Node.js變“懶”的COW技術(shù)

COW 不是奶牛，是 Copy-On-Write 的縮寫，這是一種是復制但也不完全是復制的技術(shù)。

一般來說復制就是創(chuàng)建出完全相同的兩份，兩份是獨立的：

但是，有的時候復制這件事沒多大必要，完全可以復用之前的，這時候可以只是引用之前的那份，在寫內(nèi)容的時候才去復制對應(yīng)的一部分內(nèi)容。這樣如果內(nèi)容用于讀的話，就免去了復制，而如果需要寫，才會真正復制部分內(nèi)容來做修改。

這就叫做“寫時復制”，也就是 Copy-On-Write。

原理很簡單，但是在操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理和文件系統(tǒng)中卻很常見，Node.js 里面也因為這種技術(shù)變“懶”了。

本文我們來探究下 Copy-On-Write 在 Node.js 的進程創(chuàng)建和文件復制的應(yīng)用：

文件復制

文件復制這件事最常見的思路就是完全寫一份相同的文件內(nèi)容到另一個位置，但是這樣有兩個問題：

  • 完全寫一份相同的內(nèi)容，如果同樣的文件復制了幾百次，那么也創(chuàng)建相同的內(nèi)容幾百次么?太浪費硬盤空間了
  • 如果寫到一半斷電了怎么辦?覆蓋的內(nèi)容如何恢復?

怎么辦呢?這時候操作系統(tǒng)設(shè)計者就想到了 COW 技術(shù)。

用 COW 技術(shù)實現(xiàn)文件復制以后完美解決了上面兩個問題：

  • 復制只是添加一個引用到之前的內(nèi)容，如果不修改并不會真正復制，只有到第一次修改內(nèi)容的時候才去真正復制對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，這樣就避免了大量硬盤空間的浪費。
  • 寫文件時會先在另一個空閑磁盤塊做修改，等修改完之后才會復制到目標位置，這樣就不會有斷電無法回滾的問題

在 Node.js 的 fs.copyFile 的 api 就可以使用 Copy-On-Write 模式：

默認情況下，copyFile 會寫入目標文件，覆蓋原內(nèi)容

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. const fsPromises = require('fs').promises;
    2. 
  
  
  
  
  2. 
  
  
  
  
  3. (async function() {
    4. 
  
  
  
  
  4.   try {
    5. 
  
  
  
  
  5.     await fsPromises.copyFile('source.txt', 'destination.txt');
    6. 
  
  
  
  
  6.   } catch(e) {
    7. 
  
  
  
  
  7.     console.log(e.message);
    8. 
  
  
  
  
  8.   }
    9. 
  
  
  
  
  9. })();
    10.

但是可以通過第三個參數(shù)指定復制的策略：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. const fs = require('fs');
    2. 
  
  
  
  
  2. const fsPromises = fs.promises;
    3. 
  
  
  
  
  3. const { COPYFILE_EXCL, COPYFILE_FICLONE, COPYFILE_FICLONE_FORCE} = fs.constants;
    4. 
  
  
  
  
  4. 
  
  
  
  
  5. (async function() {
    6. 
  
  
  
  
  6.   try {
    7. 
  
  
  
  
  7.     await fsPromises.copyFile('source.txt', 'destination.txt', COPYFILE_FICLONE);
    8. 
  
  
  
  
  8.   } catch(e) {
    9. 
  
  
  
  
  9.     console.log(e.message);
    10. 
  
  
  
  
  10.   }
    11. 
  
  
  
  
  11. })();
    12.

支持的 flag 有 3 個：

  • COPYFILE_EXCL: 如果目標文件已存在，會報錯(默認是覆蓋)
  • COPYFILE_FICLONE: 以 copy-on-write 模式復制，如果操作系統(tǒng)不支持就轉(zhuǎn)為真正的復制(默認是直接復制)
  • COPYFILE_FICLONE_FORCE：以 copy-on-write 模式復制，如果操作系統(tǒng)不支持就報錯

這3個常量分別是 1，2，4，可以通過按位或把它們合并之后傳入：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. const flags = COPYFILE_FICLONE | COPYFILE_EXCL;
    2. 
  
  
  
  
  2. fsPromises.copyFile('source.txt', 'destination.txt', flags);
    3.

Node.js 支持操作系統(tǒng)的 copy-on-write 技術(shù)，在一些場景下可以提升性能，建議使用 COPYFILE_FICLONE 的方式，會比默認的方式好一些。

進程創(chuàng)建

fork 是常見的創(chuàng)建進程的方式，而它的實現(xiàn)就是一種 copy-on-write 技術(shù)。

我們知道，進程在內(nèi)存中分為代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段這 3 部分：

  • 代碼段：存放要執(zhí)行的代碼
  • 數(shù)據(jù)段：存放一些全局數(shù)據(jù)
  • 堆棧段：存放執(zhí)行的狀態(tài)

如果基于該進程創(chuàng)建一個新的進程，那么要復制這 3 部分內(nèi)存。而如果這三部分內(nèi)存是一樣的內(nèi)容，那就浪費了內(nèi)存空間。

所以 fork 并不會真正的復制內(nèi)存，而是創(chuàng)建一個新的進程，引用父進程的內(nèi)存，當做數(shù)據(jù)的修改的時候，才會真正復制該部分的內(nèi)存。

這也是為什么把進程創(chuàng)建叫做 fork，也就是分叉，因為不完全是獨立的，只是某部分做了分叉，成了兩份，但是大部分還是一樣的。

但如果要執(zhí)行的代碼不一樣怎么辦呢，這時候就要用 exec 了，它會創(chuàng)建新的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段、執(zhí)行新的代碼。

Node.js 里面同樣可以用 fork 和 exec 的 api：

fork:

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. const cluster = require('cluster');
    2. 
  
  
  
  
  2. 
  
  
  
  
  3. if (cluster.isMaster) {
    4. 
  
  
  
  
  4.   console.log('I am master');
    5. 
  
  
  
  
  5.   cluster.fork();
    6. 
  
  
  
  
  6.   cluster.fork();
    7. 
  
  
  
  
  7. } else if (cluster.isWorker) {
    8. 
  
  
  
  
  8.   console.log(`I am worker #${cluster.worker.id}`);
    9. 
  
  
  
  
  9. }
    10.

exec:

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. const { exec } = require('child_process');
    2. 
  
  
  
  
  2. exec('my.bat', (err, stdout, stderr) => {
    3. 
  
  
  
  
  3.   if (err) {
    4. 
  
  
  
  
  4.     console.error(err);
    5. 
  
  
  
  
  5.     return;
    6. 
  
  
  
  
  6.   }
    7. 
  
  
  
  
  7.   console.log(stdout);
    8. 
  
  
  
  
  8. });
    9.

fork 是 linux 進程創(chuàng)建的基礎(chǔ)，由此可見 copy-on-write 技術(shù)多么重要了。

總結(jié)

復制同樣的內(nèi)容多份無疑比較浪費空間，所以操作系統(tǒng)在做文件復制、進程創(chuàng)建時的內(nèi)存復制的時候都采用了 Copy-On-Write 技術(shù)，只有真正修改的時候才會去做復制。

Node.js 支持了 fs.copyFile 的 flags 的設(shè)置，可以指定 COPYFILE_FICLONE 來使用 Copy-On-Write 的方式做文件復制，也建議大家使用這種方式來節(jié)省硬盤空間，提高文件復制的性能。

進程的 fork 也是 Copy-On-Write 的實現(xiàn)，并不會直接復制進程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段到新的內(nèi)容，而是引用之前的，只有在修改的時候才會做真正的內(nèi)存復制。

除此以外，Copy-On-Write 在 Immutable 的實現(xiàn)，在分布式的讀寫分離等領(lǐng)域都有很多應(yīng)用。

COW 讓 Node.js 變“懶”了，但性能卻更高了。


當前題目：讓Node.js變“懶”的COW技術(shù)
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