Copy-on-Write (COW) — это оптимизационная техника управления памятью, при которой копирование объекта в памяти откладывается до тех пор, пока одна из сторон не попытается изменить его. До момента изменения все участники продолжают использовать одну и ту же копию объекта (обычно это массив, строка, структура и т.п.), что существенно экономит ресурсы. Если происходит модификация, создаётся реальная копия объекта — таким образом, дублирование данных происходит только при необходимости.

1. Общая идея Copy-on-Write

Когда объект передаётся по значению, его копия может быть создана сразу — что может быть неэффективно при больших объёмах данных. Copy-on-Write позволяет отложить создание копии до тех пор, пока одна из копий не будет изменена.

Это означает:

• Пока объект только читается, используется одна общая копия;
  
• Как только одна из сторон пытается его изменить, создаётся отдельная копия, чтобы не повлиять на других.
  

2. Иллюстрация принципа

До модификации:

Объект A

|

└── Указатели: X, Y, Z (все ссылаются на одну и ту же память)

После модификации X:

Объект A (оригинал): Y, Z

Объект A' (копия): X

Таким образом, X получает собственную копию, остальные (Y, Z) продолжают использовать оригинал.

3. Где используется Copy-on-Write

3.1. Языки программирования

• Swift (структуры, массивы, словари, строки — всё значимые типы);
  
• C++ (старая реализация std::string в некоторых компиляторах);
  
• PHP (внутренние массивы и строки);
  
• Python — нет прямой поддержки, но аналогичные механизмы можно реализовать вручную;
  
• Rust — использует Rc/Arc + внутреннюю мутабельность (RefCell), но не COW напрямую;
  
• JavaScript — отсутствует, но может быть реализовано вручную через прокси/обёртки.
  

3.2. Операционные системы

• Форк (fork()) в UNIX-подобных системах: при создании нового процесса, ядро не копирует всю память процесса, а помечает страницы как только для чтения. Если родитель или дочерний процесс попытается изменить данные — произойдёт COW на уровне страниц памяти.
  
• Базовые файловые системы: ZFS, Btrfs, APFS используют COW для снапшотов и сохранения истории изменений.
  

4. Пример в Swift

python</p><p>var a = [1, 2, 3]</p><p>var b = a // b указывает на тот же буфер, что и a</p><p></p><p>b.append(4) // В этот момент b делает копию, потому что происходит модификация</p><p>

До append массив a и b используют один и тот же буфер. Как только b модифицируется, создаётся новый буфер — только для b. a остаётся нетронутым.

Это делает работу с большими структурами эффективной, даже при их копировании.

5. Условия срабатывания COW

Чтобы Copy-on-Write мог работать, необходимы:

• Счётчик ссылок на объект (или механизм отслеживания владения);
  
• Механизм проверки мутабельности — перед записью код должен проверить, является ли текущая копия уникальной;
  
• Создание копии при изменении, если копия не уникальна.
  

6. Преимущества Copy-on-Write

Эффективность по памяти:

Позволяет избежать лишнего копирования, особенно при работе с большими объектами, которые только читаются.

Производительность:

Быстрее, чем прямое копирование, особенно при множественном передавании данных между функциями, потоками и т. д.

Безопасность данных:

Обеспечивает семантику значимых типов, при этом не жертвуя производительностью.

7. Потенциальные недостатки и проблемы

7.1. Необходимость отслеживания ссылок

Выполнение COW требует механизмов отслеживания количества владельцев объекта. Это может добавить накладные расходы на:

• управление счётчиком ссылок;
  
• синхронизацию в многопоточной среде;
  
• дополнительные проверки при каждом изменении.
  

7.2. Проблемы в многопоточности

COW может быть небезопасен, если несколько потоков работают с объектом одновременно:

• Поток A и B используют одну копию;
  
• Поток A начинает изменять объект и инициирует COW;
  
• Поток B также может инициировать копирование, создавая гонку за состояние памяти.
  

Для безопасной работы необходимо использовать механизмы синхронизации или атомарные структуры.

7.3. Ложное ощущение дешевизны копирования

Разработчик может подумать, что копирование структуры "дешёвое", тогда как при последующей модификации произойдёт дорогостоящая операция копирования памяти.

8. COW и неизменяемость

Copy-on-Write тесно связан с концепцией иммутабельности:

• Разработчик работает с объектами как с неизменяемыми;
  
• Под капотом происходит оптимизация для памяти и скорости;
  
• При необходимости изменения создаётся безопасная копия.
  

Эта идея популярна в функциональных языках, таких как Haskell и в архитектурах с однонаправленным потоком данных (например, Redux в React).

9. Copy-on-Write в операционных системах (глубже)

Вызов fork():

Когда процесс вызывает fork(), создаётся новый процесс с копией адресного пространства родителя. Но на самом деле физическая память не копируется сразу.

Вместо этого:

• Все страницы помечаются как только для чтения;
  
• Если любой из процессов пытается записать в память — вызывается page fault;
  
• Ядро ОС создаёт физическую копию страницы и обновляет таблицу страниц.
  

Этот механизм позволяет мгновенно создавать тысячи процессов и эффективно использовать память.

10. Реализация COW на низком уровне

Простейшая логика:

python</p><p>class CowArray {</p><p>int* data;</p><p>int* refCount;</p><p></p><p>public:</p><p>CowArray(int size) {</p><p>data = new int[size];</p><p>refCount = new int(1);</p><p>}</p><p></p><p>CowArray(const CowArray&amp; other) {</p><p>data = other.data;</p><p>refCount = other.refCount;</p><p>++(*refCount);</p><p>}</p><p></p><p>void write(int index, int value) {</p><p>if (*refCount &gt; 1) {</p><p>// Сделать копию</p><p>int* newData = new int[size];</p><p>memcpy(newData, data, size * sizeof(int));</p><p>--(*refCount);</p><p>refCount = new int(1);</p><p>data = newData;</p><p>}</p><p>data[index] = value;</p><p>}</p><p></p><p>~CowArray() {</p><p>if (--(*refCount) == 0) {</p><p>delete[] data;</p><p>delete refCount;</p><p>}</p><p>}</p><p>};</p><p>

11. Современные аналоги и вдохновлённые технологии

• Rc/Arc в Rust — безопасное управление владением;
  
• SharedArrayBuffer в JS/WebAssembly — управляемая передача данных;
  
• React useState и useMemo — логика, где состояние обновляется при изменении, но обёртка остаётся;
  
• Immutable.js — библиотека с COW-подходом к структурам данных.
  

12. Использование в дизайне API и библиотек

• Позволяет создавать прозрачные интерфейсы: пользователь работает как будто с копиями, а система экономит память.
  
• Подходит для UI-фреймворков (например, SwiftUI, Flutter) для оптимального обновления интерфейса при изменении состояния.