Что происходит с памятью процесса, когда мы создаем его копию с помощью системного вызова fork в операционной системе Linux?

При вызове fork(), ядро операционной системы создает новый процесс, дочерний процесс, который является почти точной копией родительского процесса.

С точки зрения памяти происходит следующее:

1. Виртуальное адресное пространство: Дочерний процесс получает собственное, отдельное виртуальное адресное пространство, идентичное родительскому на момент вызова fork(). Это означает, что дочерний процесс "видит" те же диапазоны адресов и имеет ту же структуру сегментов (код, данные, стек, куча), что и родительский.

2. Физическая память и Copy-on-Write (CoW): Изначально дочерний и родительский процессы совместно используют одни и те же страницы физической памяти. Это оптимизация, известная как "Copy-on-Write" (CoW). Физическая память копируется только тогда, когда один из процессов пытается изменить содержимое страницы.

   • Если родительский или дочерний процесс записывает данные в страницу, которая ранее была общей, ядро создает новую копию этой страницы физической памяти для записывающего процесса. Другой процесс продолжает использовать старую версию страницы.
   • Если процессы только читают данные, они продолжают использовать общую страницу физической памяти.

3. Дескрипторы файлов: Открытые дескрипторы файлов наследуются дочерним процессом. Оба процесса совместно используют указатели на смещение в файле.

4. Другие ресурсы: Другие ресурсы, такие как сигнальные обработчики, текущая рабочая директория и т.д., также копируются или наследуются.

Вот упрощенная иллюстрация:

До fork():

+-------------------+
| Родительский процесс |
| +-----------------+ |
| | Виртуальная Память |
| | (Стек, Куча, ...) |
| +-----------------+ |
|      |              |
|      V              |
| +-----------------+ |
| | Физическая Память |
| +-----------------+ |
+-------------------+

Сразу после fork() (CoW):

+-----------------------+   +-----------------------+
| Родительский процесс  |   |  Дочерний процесс     |
| +-------------------+ |   | +-------------------+ |
| | Виртуальная Память  | |   | | Виртуальная Память  | |
| | (Та же структура) | |   | | (Та же структура) | |
| +-------------------+ |   | +-------------------+ |
|        |                |   |        |                |
|        V                |   |        V                |
| +-----------------------+   | +-----------------------+
| |    Физическая Память    | | |    Физическая Память    | |
| | (Некоторые страницы общие)| | | (Некоторые страницы общие)| |
| +-----------------------+   | +-----------------------+
+-----------------------+   +-----------------------+
          |                            |
          +----------------------------+
                Начальные страницы ФП общие

После записи одной из страниц (CoW сработал):

+-----------------------+   +-----------------------+
| Родительский процесс  |   |  Дочерний процесс     |
| +-------------------+ |   | +-------------------+ |
| | Виртуальная Память  | |   | | Виртуальная Память  | |
| |                   | |   | |                   | |
| +-------------------+ |   | +-------------------+ |
|        |                |   |        |                |
|        V                |   |        V                |
| +-----------------------+   | +-----------------------+
| |    Физическая Память    | | |    Физическая Память    | |
| | (Отдельные страницы ФП) | | | (Отдельные страницы ФП) | |
| +-----------------------+   | +-----------------------+
+-----------------------+   +-----------------------+

Важно понимать, что несмотря на одинаковое виртуальное адресное пространство сразу после fork(), любые изменения в памяти одного процесса (запись в переменные, выделение/освобождение памяти в куче) не влияют на память другого процесса благодаря механизму CoW. Это полностью независимые процессы.