Copy-on-Write — fork 최적화와 메모리 공유 전략

fork() 호출 시 (COW 없이):
부모 프로세스 메모리 (수백 MB) → 전체 복사 → 자식 프로세스 메모리
→ 시간도 오래 걸리고, 메모리도 2배 사용
→ exec()으로 다른 프로그램을 실행하면 복사한 메모리 전부 폐기 (낭비!)

fork() 직후:

부모 페이지 테이블          물리 메모리         자식 페이지 테이블
┌──────────────┐     ┌──────────┐      ┌──────────────┐
│ 페이지0→프레임A│────→│ 프레임A   │←────│ 페이지0→프레임A│
│ (읽기 전용)    │     │ 데이터X   │     │ (읽기 전용)    │
├──────────────┤     ├──────────┤      ├──────────────┤
│ 페이지1→프레임B│────→│ 프레임B   │←────│ 페이지1→프레임B│
│ (읽기 전용)    │     │ 데이터Y   │     │ (읽기 전용)    │
└──────────────┘     └──────────┘      └──────────────┘

물리 메모리 추가 사용: 거의 없음 (페이지 테이블만 복사)

자식이 페이지 0에 쓰기 시도:

1. 읽기 전용 페이지에 쓰기 → 페이지 폴트 (Protection Fault)
2. OS가 COW 폴트임을 인식
3. 새 프레임 C를 할당하고 프레임 A의 내용을 복사
4. 자식의 페이지 테이블을 프레임 C로 업데이트 (쓰기 가능)
5. 부모의 페이지 0도 쓰기 가능으로 복원 (참조 카운트가 1이면)

부모 페이지 테이블          물리 메모리         자식 페이지 테이블
┌──────────────┐     ┌──────────┐      ┌──────────────┐
│ 페이지0→프레임A│────→│ 프레임A   │      │ 페이지0→프레임C│
│ (쓰기 가능)    │     │ 데이터X   │      │ (쓰기 가능)    │
├──────────────┤     ├──────────┤      ├──────────────┤
│ 페이지1→프레임B│────→│ 프레임B   │←────│ 페이지1→프레임B│
│ (읽기 전용)    │     │ 데이터Y   │     │ (읽기 전용)    │
└──────────────┘     ├──────────┤      └──────────────┘
                     │ 프레임C   │←──── 자식 전용 복사본
                     │데이터X(수정)│
                     └──────────┘

fork() 전:     프레임 A 참조 카운트 = 1
fork() 후:     프레임 A 참조 카운트 = 2 (부모 + 자식)
COW 복사 후:   프레임 A 참조 카운트 = 1 (부모만)
               프레임 C 참조 카운트 = 1 (자식만)

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    // 자식 프로세스: exec()으로 새 프로그램 실행
    exec("/bin/ls");  // → 기존 메모리를 모두 새 프로그램으로 교체
}

// MAP_PRIVATE: COW 매핑
void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE,
                  MAP_PRIVATE, fd, 0);
// 파일 내용을 읽을 때는 원본 페이지 캐시 공유
// 수정하면 프로세스 전용 복사본 생성

Redis 서버 (메모리 10GB)
  │
  └── 백그라운드 저장 시 fork()
      → COW로 자식 프로세스 생성
      → 부모(Redis)가 쓰기 작업을 계속하면
      → 수정된 페이지마다 COW 복사 발생
      → 최악의 경우 메모리 사용량 2배 (20GB)