Per migliorare l'efficienza su come i chunk sono memorizzati, ogni chunk non è solo in una lista concatenata, ma ci sono diversi tipi. Questi sono i bins e ci sono 5 tipi di bins: 62 small bins, 63 large bins, 1 unsorted bin, 10 fast bins e 64 tcache bins per thread.
L'indirizzo iniziale di ogni bin non ordinato, small e large è all'interno dello stesso array. L'indice 0 non è utilizzato, 1 è il bin non ordinato, i bins 2-64 sono small bins e i bins 65-127 sono large bins.
Bins Tcache (Cache Per-Thread)
Anche se i thread cercano di avere il proprio heap (vedi Arenas e Subheaps), c'è la possibilità che un processo con molti thread (come un server web) finirà per condividere l'heap con altri thread. In questo caso, la soluzione principale è l'uso di lock, che potrebbero rallentare significativamente i thread.
Quando un thread libera un chunk, se non è troppo grande da essere allocato nel tcache e il rispettivo bin tcache non è pieno (già 7 chunk), verrà allocato lì. Se non può andare nel tcache, dovrà aspettare che il lock dell'heap sia in grado di eseguire l'operazione di liberazione globalmente.
Quando un chunk viene allocato, se c'è un chunk libero della dimensione necessaria nel Tcache lo utilizzerà, altrimenti dovrà aspettare che il lock dell'heap sia in grado di trovarne uno nei bin globali o crearne uno nuovo.
C'è anche un'ottimizzazione, in questo caso, avendo il lock dell'heap, il thread riempirà il suo Tcache con chunk dell'heap (7) della dimensione richiesta, quindi nel caso ne abbia bisogno di più, li troverà nel Tcache.
Aggiungi un esempio di chunk tcache
```c #include #include
int main(void) { char *chunk; chunk = malloc(24); printf("Address of the chunk: %p\n", (void *)chunk); gets(chunk); free(chunk); return 0; }
Compilalo e debuggalo con un breakpoint nell'opcode ret dalla funzione main. Poi con gef puoi vedere il bin tcache in uso:
```bash
gef➤ heap bins
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────── Tcachebins for thread 1 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Tcachebins[idx=0, size=0x20, count=1] ← Chunk(addr=0xaaaaaaac12a0, size=0x20, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
Strutture e Funzioni Tcache
Nel codice seguente è possibile vedere i max bins e i chunks per indice, la struct tcache_entry creata per evitare doppie liberazioni e tcache_perthread_struct, una struct che ogni thread utilizza per memorizzare gli indirizzi di ciascun indice del bin.
Indici Tcache
Il tcache ha diversi blocchi a seconda della dimensione e i puntatori iniziali al primo chunk di ciascun indice e la quantità di chunk per indice sono situati all'interno di un chunk. Ciò significa che individuando il chunk con queste informazioni (di solito il primo), è possibile trovare tutti i punti iniziali del tcache e la quantità di chunk del Tcache.
Fast bins
I fast bins sono progettati per accelerare l'allocazione di memoria per piccoli chunk mantenendo i chunk liberati di recente in una struttura di accesso rapido. Questi blocchi utilizzano un approccio Last-In, First-Out (LIFO), il che significa che il chunk liberato più di recente è il primo ad essere riutilizzato quando c'è una nuova richiesta di allocazione. Questo comportamento è vantaggioso per la velocità, poiché è più veloce inserire e rimuovere dalla cima di uno stack (LIFO) rispetto a una coda (FIFO).
Inoltre, i fast bins utilizzano liste collegate singolarmente, non doppie, il che migliora ulteriormente la velocità. Poiché i chunk nei fast bins non vengono uniti con i vicini, non c'è bisogno di una struttura complessa che consenta la rimozione dal mezzo. Una lista collegata singolarmente è più semplice e veloce per queste operazioni.
Fondamentalmente, ciò che accade qui è che l'intestazione (il puntatore al primo chunk da controllare) punta sempre all'ultimo chunk liberato di quella dimensione. Quindi:
Quando viene allocato un nuovo chunk di quella dimensione, l'intestazione punta a un chunk libero da utilizzare. Poiché questo chunk libero punta al successivo da utilizzare, questo indirizzo viene memorizzato nell'intestazione in modo che la prossima allocazione sappia dove ottenere un chunk disponibile.
Quando un chunk viene liberato, il chunk libero salverà l'indirizzo al chunk disponibile corrente e l'indirizzo a questo nuovo chunk liberato verrà inserito nell'intestazione.
La dimensione massima di una lista collegata è 0x80 e sono organizzate in modo che un chunk di dimensione 0x20 sarà nell'indice 0, un chunk di dimensione 0x30 sarebbe nell'indice 1...
I chunk nei fast bins non vengono impostati come disponibili, quindi vengono mantenuti come chunk fast bin per un certo periodo invece di poter essere uniti con altri chunk liberi circostanti.
// From https://github.com/bminor/glibc/blob/a07e000e82cb71238259e674529c37c12dc7d423/malloc/malloc.c#L1711/*FastbinsAn array of lists holding recently freed small chunks. Fastbinsare not doubly linked. It is faster to single-link them, andsince chunks are never removed from the middles of these lists,double linking is not necessary. Also, unlike regular bins, theyare not even processed in FIFO order (they use faster LIFO) sinceordering doesn't much matter in the transient contexts in whichfastbins are normally used.Chunks in fastbins keep their inuse bit set, so they cannotbe consolidated with other free chunks. malloc_consolidatereleases all chunks in fastbins and consolidates them withother free chunks.*/typedefstruct malloc_chunk *mfastbinptr;#definefastbin(ar_ptr, idx) ((ar_ptr)->fastbinsY[idx])/* offset 2 to use otherwise unindexable first 2 bins */#definefastbin_index(sz) \((((unsignedint) (sz)) >> (SIZE_SZ ==8?4:3)) -2)/* The maximum fastbin request size we support */#defineMAX_FAST_SIZE (80* SIZE_SZ /4)#defineNFASTBINS (fastbin_index (request2size (MAX_FAST_SIZE)) +1)
Aggiungi un esempio di chunk fastbin
#include<stdlib.h>#include<stdio.h>intmain(void){char*chunks[8];int i;// Loop to allocate memory 8 timesfor (i =0; i <8; i++) {chunks[i] =malloc(24);if (chunks[i] ==NULL) { // Check if malloc failedfprintf(stderr,"Memory allocation failed at iteration %d\n", i);return1;}printf("Address of chunk %d: %p\n", i, (void*)chunks[i]);}// Loop to free the allocated memoryfor (i =0; i <8; i++) {free(chunks[i]);}return0;}
Nota come allocare e liberare 8 chunk dello stesso size in modo che riempiano il tcache e l'ottavo sia memorizzato nel fast chunk.
Compilalo e debuggalo con un breakpoint nell'opcode ret dalla funzione main. Poi con gef puoi vedere che il bin tcache è pieno e un chunk è nel fast bin:
Il bin non ordinato è una cache utilizzata dal gestore dell'heap per rendere più veloce l'allocazione di memoria. Ecco come funziona: quando un programma libera un chunk e se questo chunk non può essere allocato in un tcache o fast bin e non entra in collisione con il top chunk, il gestore dell'heap non lo mette immediatamente in un bin specifico piccolo o grande. Invece, prima cerca di fonderlo con eventuali chunk liberi vicini per creare un blocco più grande di memoria libera. Successivamente, posiziona questo nuovo chunk in un bin generale chiamato "bin non ordinato".
Quando un programma richiede memoria, il gestore dell'heap controlla il bin non ordinato per vedere se c'è un chunk di dimensioni adeguate. Se ne trova uno, lo utilizza immediatamente. Se non trova un chunk adatto nel bin non ordinato, sposta tutti i chunk in questo elenco nei rispettivi bin, piccoli o grandi, in base alle loro dimensioni.
Si noti che se un chunk più grande viene diviso in 2 metà e il resto è più grande di MINSIZE, verrà riposizionato nel bin non ordinato.
Quindi, il bin non ordinato è un modo per velocizzare l'allocazione di memoria riutilizzando rapidamente la memoria liberata di recente e riducendo la necessità di ricerche e fusioni che richiedono tempo.
Si noti che anche se i chunk sono di categorie diverse, se un chunk disponibile entra in collisione con un altro chunk disponibile (anche se appartengono originariamente a bin diversi), verranno fusi.
Aggiungi un esempio di chunk non ordinato
```c #include #include
int main(void) { char *chunks[9]; int i;
// Loop to allocate memory 8 times for (i = 0; i < 9; i++) { chunks[i] = malloc(0x100); if (chunks[i] == NULL) { // Check if malloc failed fprintf(stderr, "Memory allocation failed at iteration %d\n", i); return 1; } printf("Address of chunk %d: %p\n", i, (void *)chunks[i]); }
// Loop to free the allocated memory for (i = 0; i < 8; i++) { free(chunks[i]); }
return 0; }
Nota come allocare e liberare 9 chunk dello stesso size in modo che **riempiano il tcache** e l'ottavo sia memorizzato nell'unsorted bin perché è **troppo grande per il fastbin** e il nono non è liberato quindi il nono e l'ottavo **non vengono uniti con il top chunk**.
Compilalo e debuggalo con un breakpoint nell'opcode `ret` dalla funzione `main`. Poi con `gef` puoi vedere che il tcache bin è pieno e un chunk è nell'unsorted bin:
```bash
gef➤ heap bins
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────── Tcachebins for thread 1 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Tcachebins[idx=15, size=0x110, count=7] ← Chunk(addr=0xaaaaaaac1d10, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac1c00, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac1af0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac19e0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac18d0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac17c0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac12a0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
───────────────────────────────────────────────────────────────────────── Fastbins for arena at 0xfffff7f90b00 ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0, size=0x20] 0x00
Fastbins[idx=1, size=0x30] 0x00
Fastbins[idx=2, size=0x40] 0x00
Fastbins[idx=3, size=0x50] 0x00
Fastbins[idx=4, size=0x60] 0x00
Fastbins[idx=5, size=0x70] 0x00
Fastbins[idx=6, size=0x80] 0x00
─────────────────────────────────────────────────────────────────────── Unsorted Bin for arena at 0xfffff7f90b00 ───────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] unsorted_bins[0]: fw=0xaaaaaaac1e10, bk=0xaaaaaaac1e10
→ Chunk(addr=0xaaaaaaac1e20, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
[+] Found 1 chunks in unsorted bin.
Bins Piccoli
I bins piccoli sono più veloci dei bins grandi ma più lenti dei fast bins.
Ogni bin dei 62 avrà chunk della stessa dimensione: 16, 24, ... (con una dimensione massima di 504 byte in 32 bit e 1024 in 64 bit). Questo aiuta nella velocità nel trovare il bin in cui dovrebbe essere allocato uno spazio e nell'inserimento e rimozione delle voci in queste liste.
Ecco come viene calcolata la dimensione del bin piccolo in base all'indice del bin:
Dimensione più piccola: 2*4*indice (es. indice 5 -> 40)
Dimensione più grande: 2*8*indice (es. indice 5 -> 80)
#include<stdlib.h>#include<stdio.h>intmain(void){char*chunks[10];int i;// Loop to allocate memory 8 timesfor (i =0; i <9; i++) {chunks[i] =malloc(0x100);if (chunks[i] ==NULL) { // Check if malloc failedfprintf(stderr,"Memory allocation failed at iteration %d\n", i);return1;}printf("Address of chunk %d: %p\n", i, (void*)chunks[i]);}// Loop to free the allocated memoryfor (i =0; i <8; i++) {free(chunks[i]);}chunks[9] =malloc(0x110);return0;}
Nota come allocare e liberare 9 chunk dello stesso size in modo che riempiano il tcache e l'ottavo sia memorizzato nell'unsorted bin perché è troppo grande per il fastbin e il nono non è liberato quindi il nono e l'ottavo non vengono uniti con il top chunk. Successivamente allocare un chunk più grande di 0x110 che fa sì che il chunk nell'unsorted bin vada al small bin.
Compilalo e debuggalo con un breakpoint nell'opcode ret dalla funzione main. Poi con gef puoi vedere che il tcache bin è pieno e un chunk è nel small bin:
gef➤heapbins──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────── Tcachebins for thread 1 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Tcachebins[idx=15, size=0x110, count=7] ← Chunk(addr=0xaaaaaaac1d10, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac1c00, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac1af0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac19e0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac18d0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac17c0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← Chunk(addr=0xaaaaaaac12a0, size=0x110, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
───────────────────────────────────────────────────────────────────────── Fastbins for arena at 0xfffff7f90b00 ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0,size=0x20]0x00Fastbins[idx=1,size=0x30]0x00Fastbins[idx=2,size=0x40]0x00Fastbins[idx=3,size=0x50]0x00Fastbins[idx=4,size=0x60]0x00Fastbins[idx=5,size=0x70]0x00Fastbins[idx=6,size=0x80]0x00─────────────────────────────────────────────────────────────────────── Unsorted Bin for arena at 0xfffff7f90b00 ───────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] Found 0 chunks in unsorted bin.──────────────────────────────────────────────────────────────────────── Small Bins for arena at 0xfffff7f90b00 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] small_bins[16]: fw=0xaaaaaaac1e10, bk=0xaaaaaaac1e10→Chunk(addr=0xaaaaaaac1e20, size=0x110, flags=PREV_INUSE|IS_MMAPPED|NON_MAIN_ARENA)[+] Found 1 chunks in 1 small non-empty bins.
Bins grandi
A differenza dei blocchi piccoli, che gestiscono pezzi di dimensioni fisse, ogni bin grande gestisce un intervallo di dimensioni di pezzi. Questo è più flessibile, permettendo al sistema di gestire varie dimensioni senza la necessità di avere un bin separato per ogni dimensione.
In un allocatore di memoria, i bin grandi iniziano dove finiscono i bin piccoli. Gli intervalli per i bin grandi crescono progressivamente, il che significa che il primo bin potrebbe coprire pezzi da 512 a 576 byte, mentre il successivo copre da 576 a 640 byte. Questo modello continua, con il bin più grande che contiene tutti i pezzi sopra 1MB.
I bin grandi sono più lenti da gestire rispetto ai bin piccoli perché devono ordinare e cercare attraverso un elenco di dimensioni di pezzi variabili per trovare la migliore corrispondenza per un'allocazione. Quando un pezzo viene inserito in un bin grande, deve essere ordinato e quando la memoria viene allocata, il sistema deve trovare il pezzo giusto. Questo lavoro aggiuntivo li rende più lenti, ma poiché le allocazioni grandi sono meno comuni di quelle piccole, è un compromesso accettabile.
Ci sono:
32 bin di intervallo 64B (collidono con i bin piccoli)
16 bin di intervallo 512B (collidono con i bin piccoli)
8 bin di intervallo 4096B (parte collidono con i bin piccoli)
4 bin di intervallo 32768B
2 bin di intervallo 262144B
1 bin per le dimensioni rimanenti
Codice delle dimensioni dei bin grandi
```c // From https://github.com/bminor/glibc/blob/a07e000e82cb71238259e674529c37c12dc7d423/malloc/malloc.c#L1711
</details>
<details>
<summary>Aggiungi un esempio di chunk grande</summary>
```c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
char *chunks[2];
chunks[0] = malloc(0x1500);
chunks[1] = malloc(0x1500);
free(chunks[0]);
chunks[0] = malloc(0x2000);
return 0;
}
Due grandi allocazioni vengono eseguite, poi una viene liberata (mettendola nel bin non ordinato) e viene effettuata un'allocazione più grande (spostando quella liberata dal bin non ordinato al bin grande).
Compilalo e debuggalo con un breakpoint nell'opcode ret dalla funzione main. Poi con gef puoi vedere che il bin tcache è pieno e un chunk è nel bin grande:
gef➤heapbin──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────── Tcachebins for thread 1 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Alltcachebinsareempty───────────────────────────────────────────────────────────────────────── Fastbins for arena at 0xfffff7f90b00 ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0,size=0x20]0x00Fastbins[idx=1,size=0x30]0x00Fastbins[idx=2,size=0x40]0x00Fastbins[idx=3,size=0x50]0x00Fastbins[idx=4,size=0x60]0x00Fastbins[idx=5,size=0x70]0x00Fastbins[idx=6,size=0x80]0x00─────────────────────────────────────────────────────────────────────── Unsorted Bin for arena at 0xfffff7f90b00 ───────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] Found 0 chunks in unsorted bin.──────────────────────────────────────────────────────────────────────── Small Bins for arena at 0xfffff7f90b00 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] Found 0 chunks in 0 small non-empty bins.──────────────────────────────────────────────────────────────────────── Large Bins for arena at 0xfffff7f90b00 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] large_bins[100]: fw=0xaaaaaaac1290, bk=0xaaaaaaac1290→Chunk(addr=0xaaaaaaac12a0, size=0x1510, flags=PREV_INUSE|IS_MMAPPED|NON_MAIN_ARENA)[+] Found 1 chunks in 1 large non-empty bins.
Chunk Principale
// From https://github.com/bminor/glibc/blob/a07e000e82cb71238259e674529c37c12dc7d423/malloc/malloc.c#L1711/*TopThe top-most available chunk (i.e., the one bordering the end ofavailable memory) is treated specially. It is never included inany bin, is used only if no other chunk is available, and isreleased back to the system if it is very large (seeM_TRIM_THRESHOLD). Because top initiallypoints to its own bin with initial zero size, thus forcingextension on the first malloc request, we avoid having any specialcode in malloc to check whether it even exists yet. But we stillneed to do so when getting memory from system, so we makeinitial_top treat the bin as a legal but unusable chunk during theinterval between initialization and the first call tosysmalloc. (This is somewhat delicate, since it relies onthe 2 preceding words to be zero during this interval as well.)*//* Conveniently, the unsorted bin can be used as dummy top on first call */#defineinitial_top(M) (unsorted_chunks (M))
Fondamentalmente, questo è un chunk che contiene tutto l'heap attualmente disponibile. Quando viene eseguito un malloc, se non c'è alcun chunk libero disponibile da utilizzare, questo top chunk ridurrà la sua dimensione fornendo lo spazio necessario.
Il puntatore al Top Chunk è memorizzato nella struttura malloc_state.
Inoltre, all'inizio, è possibile utilizzare lo chunk non ordinato come top chunk.
Osserva l'esempio del Top Chunk
```c #include #include
int main(void) { char *chunk; chunk = malloc(24); printf("Address of the chunk: %p\n", (void *)chunk); gets(chunk); return 0; }
Dopo aver compilato e eseguito il debug con un punto di interruzione nell'opcode `ret` di `main`, ho visto che la malloc ha restituito l'indirizzo `0xaaaaaaac12a0` e questi sono i chunk:
```bash
gef➤ heap chunks
Chunk(addr=0xaaaaaaac1010, size=0x290, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
[0x0000aaaaaaac1010 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ................]
Chunk(addr=0xaaaaaaac12a0, size=0x20, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
[0x0000aaaaaaac12a0 41 41 41 41 41 41 41 00 00 00 00 00 00 00 00 00 AAAAAAA.........]
Chunk(addr=0xaaaaaaac12c0, size=0x410, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
[0x0000aaaaaaac12c0 41 64 64 72 65 73 73 20 6f 66 20 74 68 65 20 63 Address of the c]
Chunk(addr=0xaaaaaaac16d0, size=0x410, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA)
[0x0000aaaaaaac16d0 41 41 41 41 41 41 41 0a 00 00 00 00 00 00 00 00 AAAAAAA.........]
Chunk(addr=0xaaaaaaac1ae0, size=0x20530, flags=PREV_INUSE | IS_MMAPPED | NON_MAIN_ARENA) ← top chunk
Dove si può vedere che il chunk superiore si trova all'indirizzo 0xaaaaaaac1ae0. Questo non è una sorpresa perché l'ultimo chunk allocato era in 0xaaaaaaac12a0 con una dimensione di 0x410 e 0xaaaaaaac12a0 + 0x410 = 0xaaaaaaac1ae0.
È anche possibile vedere la lunghezza del chunk superiore nell'intestazione del chunk:
Quando viene utilizzato malloc e un chunk viene diviso (dalla lista non ordinata o dal chunk superiore per esempio), il chunk creato dal resto del chunk diviso è chiamato Ultimo Resto e il suo puntatore è memorizzato nella struttura malloc_state.
Flusso di Allocazione
Consulta:
Flusso di Liberazione
Consulta:
Controlli di Sicurezza delle Funzioni di Heap
Controlla i controlli di sicurezza eseguiti dalle funzioni ampiamente utilizzate nell'heap in:
