堆基本概念

堆基本概念

ptmalloc2 是目前 Linux 标准发行版中使用的堆分配器。

内存分配基本思想

• 堆管理器负责向操作系统申请内存，然后将其返回给用户程序，但是频繁的系统调用会造成大量的开销。为了保持内存管理的高效性，内核一般都会预先分配很大的一块连续的内存，然后让堆管理器通过某种算法管理这块内存。只有当出现了堆空间不足的情况，堆管理器才会再次与操作系统进行交互。
• 一般来说，用户释放的内存并不是直接返还给操作系统的，而是由堆管理器进行管理。这些释放的内存可以来响应用户新申请的内存的请求。

堆的基本操作

malloc

malloc (memory allocation) 函数是 C 语言标准库中用于动态内存分配的一个基本函数。它分配一块至少为 size 字节的连续内存区域，并返回一个指向这块内存的指针

void *malloc(size_t size);

malloc 函数返回对应大小字节的内存块的指针。此外，该函数还对一些异常情况进行了处理：

• 当 n = 0 时，返回当前系统允许的堆的最小内存块。
• 当 n 为负数时，由于在大多数系统上，size_t 是无符号数（这一点非常重要），所以程序就会申请很大的内存空间，但通常来说都会失败，因为系统没有那么多的内存可以分配。

realloc

realloc 函数用于重新分配之前通过 malloc ，calloc 或 realloc 函数分配的内存区域。它可以改变内存块的大小，或者释放内存块，或分配新的内存块。

void *realloc(void *ptr, size_t size);

• ptr：指向需要重新分配的内存块的指针。
• size：新的内存块的大小，以字节为单位。

有如下情况：

• ptr 不为空，size = 0 ，相当于释放原来的堆块。
• ptr 为空且 size > 0 ，相当于 malloc 。
• ptr 不为空，size 大于原来的堆块大小则如果该堆块后面的堆块空闲则合并堆块，否则先释放原堆块，然后再申请一个更大的堆块，原堆块内容会被拷贝过去。
• ptr 不为空，size 不大于原来的堆块大小，如果切割后剩下的堆块大于等于 MINSIZE 则切割并释放，然后返回原堆块。

calloc

calloc (contiguous allocation) 函数是 C 语言标准库中用于动态内存分配的一个函数。与 malloc 相似，calloc 用于分配内存。该函数在分配时会清空 chunk 上的内容，这使得我们无法通过以往的重复存取后通过 chunk 上残留的脏数据的方式泄露信息（例如通过 bins 数组遗留的脏数据泄露 libc 基址等），同时该函数不从 tcache 中拿 chunk，但是 free() 函数默认还是会先往 tcache 里放的，这无疑增加了我们利用的难度。

void *calloc(size_t nmemb, size_t size);

• nmemb：需要分配的元素个数。
• size：每个元素的大小，以字节为单位。

总的分配的字节大小是 nmemb * size 。

注意：如果 size 的 IS_MAPPED 位置 1 则不清空数据。

if (chunk_is_mmapped (p))
  {
    if (__builtin_expect (perturb_byte, 0))
      return memset (mem, 0, sz);
 
    return mem;
  }

free

可以看出，free 函数会释放由 p 所指向的内存块。这个内存块有可能是通过 malloc 函数得到的，也有可能是通过相关的函数 realloc 得到的。

此外，该函数也同样对异常情况进行了处理：

• 当 p 为空指针时，函数不执行任何操作。
• 当 p 已经被释放之后，再次释放会出现乱七八糟的效果，这其实就是 double free。
• 除了被禁用 (mallopt) 的情况下，当释放很大的内存空间时，程序会将这些内存空间还给系统，以便于减小程序所使用的内存空间。

mallopt

mallopt 函数通过控制堆的特定参数用于改变堆的分配策略。

int mallopt(int param,int value)

• param：指定要修改的动态内存分配参数。这个参数是一个整数，定义了哪一个特性将会被修改。例如，它可以是控制内存对齐、缓存大小或者相似行为的选项。
  • M_MXFAST：设置 malloc 用于小块内存分配的最大 fast bin 的大小。
  • M_TRIM_THRESHOLD：设置 sbrk 释放内存回操作系统的阈值。
  • M_TOP_PAD：设置 sbrk 请求额外内存时，上面的额外内存量。
  • M_MMAP_THRESHOLD：设置使用 mmap 进行内存分配的阈值。
  • M_MMAP_MAX：设置可以使用 mmap 进行内存分配的最大数目。
• value：新的值，针对 param 指定的特性。具体的值取决于 param，有些特性可能需要非零值来启用，零值来禁用，有些则需要具体的数值。
• 返回值是一个整数，指示函数调用是否成功。
  • 如果成功，返回非零值。
  • 如果失败（例如，不支持的参数或值），返回零。

内存分配背后的系统调用

内存管理函数背后的系统调用主要是 (s)brk 函数以及 mmap, munmap 函数。
在 main arena 中通过 sbrk 扩展 heap，而在 thread arena 中通过 mmap 分配新的 heap。

(s)brk

对于堆的操作，操作系统提供了 brk 函数，glibc 库提供了 sbrk 函数，我们可以通过增加 brk 的大小来向操作系统申请内存。

初始时，堆的起始地址 start_brk 以及堆的当前末尾 brk 指向同一地址。根据是否开启 ASLR，两者的具体位置会有所不同

不开启 ASLR 保护时，start_brk 以及 brk 会指向 data/bss 段的结尾。
开启 ASLR 保护时，start_brk 以及 brk 也会指向同一位置，只是这个位置是在 data/bss 段结尾后的随机偏移处。

mmap

malloc 会使用 mmap 来创建独立的匿名映射段。匿名映射的目的主要是可以申请以 0 填充的内存，并且这块内存仅被调用进程所使用。

--转载自jelasin