淺談Node.js+COW技術進行進程建立與檔案複製

本篇文章帶大家了解COW（Copy-On-Write）技術，介紹一下COW技術 Node.js 的進程創建和檔案複製的應用，希望對大家有幫助！

COW 不是乳牛，是 Copy-On-Write 的縮寫，這是複製但也不完全是複製的技術。

一般來說複製就是創建出完全相同的兩份，兩份是獨立的：

但是，有的時候複製這件事沒多大必要，完全可以重複使用之前的，這時候可以只是引用之前的那份，在寫內容的時候才去複製對應的一部分內容。這樣如果內容用於讀取的話，就免去了複製，而如果需要寫，才會真正複製部分內容來做修改。

這就叫做“寫時複製”，也就是 Copy-On-Write。

原理很簡單，但是在作業系統的記憶體管理和檔案系統中卻很常見，Node.js 裡面也因為這種技術變「懶」了。

本文我們來探究下 Copy-On-Write 在 Node.js 的進程創建和檔案複製的應用。 【推薦學習：《nodejs 教學》】

檔案複製

檔案複製這件事最常見的想法就是完全寫一份相同的文件內容到另一個位置，但是這樣有兩個問題：

• 完全寫一份相同的內容，如果同樣的文件複製了幾百次，那麼也創建相同的內容幾百次麼？太浪費硬碟空間了
• 如果寫到一半斷電了怎麼辦？覆蓋的內容如何恢復？

怎麼辦呢？這時候作業系統設計者就想到了 COW 技術。

用COW 技術實現檔案複製以後完美解決了上面兩個問題：

• 複製只是添加一個引用到之前的內容，如果不修改並不會真正複製，只有到第一次修改內容的時候才去真正複製對應的資料塊，這樣就避免了大量硬碟空間的浪費。
• 寫檔案時會先在另一個空閒磁碟區塊做修改，等修改完之後才會複製到目標位置，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：

預設情況下，copyFile 會寫入目標文件，覆寫原內容

const fsPromises = require('fs').promises;

(async function() {
  try {
    await fsPromises.copyFile('source.txt', 'destination.txt');
  } catch(e) {
    console.log(e.message);
  }
})();

但是可以透過第三個參數指定複製的策略：

const fs = require('fs');
const fsPromises = fs.promises;
const { COPYFILE_EXCL, COPYFILE_FICLONE, COPYFILE_FICLONE_FORCE} = fs.constants;

(async function() {
  try {
    await fsPromises.copyFile('source.txt', 'destination.txt', COPYFILE_FICLONE);
  } catch(e) {
    console.log(e.message);
  }
})();

支援的flag 有3 個：

• COPYFILE_EXCL: 如果目標檔案已存在，會報錯（預設為覆寫）
• COPYFILE_FICLONE: 以copy-on-write 模式複製，如果作業系統不支援就轉為真正的複製（預設是直接複製）
• COPYFILE_FICLONE_FORCE：以copy-on-write 模式複製，如果作業系統不支援就報錯

這3個常數分別是1，2，4，可以透過位元或把它們合併之後傳入：

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

Node.js支援作業系統的copy-on-write 技術，在一些場景下可以提升效能，建議使用COPYFILE_FICLONE 的方式，會比預設的方式好一些。

進程建立

fork 是常見的建立進程的方式，而它的實作就是一種 copy-on-write 技術。

我們知道，進程在記憶體中分為程式碼段、資料段、堆疊段這3 部分：

• 程式碼段：存放要執行的程式碼
• #資料段：存放一些全域資料
• 堆疊段：存放執行的狀態

如果基於該進程創建一個新的進程，那麼要複製這3 個部分記憶體。而如果這三部分記憶體是一樣的內容，那就浪費了記憶體空間。

所以 fork 並不會真正的複製內存，而是創建一個新的進程，引用父進程的內存，當做數據的修改的時候，才會真正複製該部分的內存。

這也是為什麼把進程創建叫做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。

但如果要執行的程式碼不一樣怎麼辦呢，這時候就要用 exec 了，它會創建新的程式碼片段、資料段、堆疊段、執行新的程式碼。

Node.js 裡面同樣可以用fork 和exec 的api：

fork:

const cluster = require('cluster');

if (cluster.isMaster) {
  console.log('I am master');
  cluster.fork();
  cluster.fork();
} else if (cluster.isWorker) {
  console.log(`I am worker #${cluster.worker.id}`);
}

exec:

const { exec } = require('child_process');
exec('my.bat', (err, stdout, stderr) => {
  if (err) {
    console.error(err);
    return;
  }
  console.log(stdout);
});

fork 是linux 程序建立的基礎，由此可見copy-on-write 技術多麼重要了。

總結

複製同樣的內容多份無疑比較浪費空間，所以作業系統在做檔案複製、行程建立時的記憶體複製的時候都採用了Copy-On- Write 技術，只有真正修改的時候才會去做複製。

Node.js 支援了fs.copyFile 的flags 的設置，可以指定COPYFILE_FICLONE 來使用Copy-On-Write 的方式做檔案複製，也建議大家用這種方式來節省硬碟空間，提高檔案複製的性能。

進程的fork 也是Copy-On-Write 的實現，並不會直接複製進程的程式碼段、資料段、堆疊段到新的內容，而是引用之前的，只有在修改的時候才會做真正的記憶體複製。

除此之外，Copy-On-Write 在 Immutable 的實現，在分散式的讀寫分離等領域都有許多應用。

COW 讓 Node.js 變成「懶」了，但效能卻更高了。

原文網址：https://juejin.cn/post/6999497362255118366

作者：zxg_神說要有光

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