malloc使用的系统调用

时间 2021-08-15 标签 malloc 内存分配 mmap brk break

看本文章之前，你应该知道malloc使用系统调用获取内存。正如下图中所展示的，malloc调用brk或mmap系统调用去获取内存。

brk：
brk通过增加程brk的位置从内核中获取内存（没有被0初始化）。开始的时候，堆的初始位置(start_brk)和结束位置(brk)指向相同的位置。

当ASLR关闭时，start_brk和brk将指向data/bss段（end_data）的结尾。
当ASLR打开时，start_brk和brk将等于data/bss段（end_data）的结尾加上随机brk偏移。

上面的进程虚拟地址布局-图片展示了start_brk就是堆（heap）段的开始处，brk（program break）就是堆结束处。

实例：

/* sbrk 和 brk 例子 */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    void *curr_brk, *tmp_brk = NULL;

    printf("Welcome to sbrk example:%d\n", getpid());

    /* sbrk(0)给出了程序的break位置 */
    tmp_brk = curr_brk = sbrk(0);
    printf("Program Break Location1:%p\n", curr_brk);
    getchar();

    /* brk(addr) 增加/减少程序的break位置 */
    brk(curr_brk+4096);

    curr_brk = sbrk(0);
    printf("Program break Location2:%p\n", curr_brk);
    getchar();

    brk(tmp_brk);

    curr_brk = sbrk(0);
    printf("Program Break Location3:%p\n", curr_brk);
    getchar();

    return 0;
}

输出分析：

在增加程序break之前，通过下面的观察我们可以看到没有heap段，因而，start_brk = brk = end_data = 0x804b000.

[email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$ ./sbrk 
 Welcome to sbrk example:6141
 Program Break Location1:0x804b000
 ...
 [email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$ cat /proc/6141/maps
 ...
 0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539624     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/sbrk
 b7e21000-b7e22000 rw-p 00000000 00:00 0 
 ...
 [email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$

增加之后，通过下面的输出我们可以看到heap已经有了，因而，start_brk = end_data = 0x804b000和brk = 0x804c000.

[email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$ ./sbrk 
 Welcome to sbrk example:6141
 Program Break Location1:0x804b000
 Program Break Location2:0x804c000
 ...
 [email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$ cat /proc/6141/maps
 ...
 0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539624     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/sbrk
 0804b000-0804c000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]
 b7e21000-b7e22000 rw-p 00000000 00:00 0 
 ...
 [email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$

在这里，

0804b000-0804c000 是堆的虚拟地址起始/结束范围。
rw-p是读、写、可执行，私有/共享的权限标志。
00000000 是文件偏移量 – 因为它没有从任何文件映射，所以，在这儿是0。
00:00 主/次设备号 – 因为没有从任何文件映射，这儿是0。
0 节点号 – 因为没有从文件映射，所以是0。
[heap] 堆的说明

mmap:

malloc使用mmap创建私有映射内存段。目的就是申请一段新内存（0填充），这段内存将由调用的进程专用。

示例：

/* 使用mmap系统调用创建私有内存 */
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

void static inline errExit(const char* msg)
{
        printf("%s failed. Exiting the process\n", msg);
        exit(-1);
}

int main()
{
    int ret = -1;
    printf("Welcome to private anonymous mapping example::PID:%d\n", getpid());
    printf("Before mmap\n");
    getchar();
    char* addr = NULL;
    addr = mmap(NULL, (size_t)132*1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (addr == MAP_FAILED)
        errExit("mmap");
    printf("After mmap\n");
    getchar();

    /* Unmap mapped region. */
    ret = munmap(addr, (size_t)132*1024);
    if(ret == -1)
        errExit("munmap");
    printf("After munmap\n");
    getchar();
    return 0;
}

输出分析：

在mmap之前，通过下面的输出，我们只能看到属于共享库libc.so和ld-linux.so的内存映射：

[email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$ cat /proc/6067/maps
 08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 b7e21000-b7e22000 rw-p 00000000 00:00 0 
 ...
 [email protected]x:~/ptmalloc.ppt/syscalls$

在mmap之后，通过观察我们可以看到内存映射段（b7e00000-b7e22000，大小为我们设置的132k）和本就已经存在的内存映射（b7e21000-b7e22000）组合起来了：

[email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$ cat /proc/6067/maps
 08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 b7e00000-b7e22000 rw-p 00000000 00:00 0 
 ...
 [email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$

在这儿，

b7e00000-b7e22000 该段的虚拟地址
rw-p 是读、写、可执行，私有/共享的权限标志。
00000000 是文件偏移量 – 因为它没有从任何文件映射，所以，在这儿是0。
00:00 主/次设备号 – 因为没有从任何文件映射，这儿是0。
0 因为没有从文件映射，所以是0。

在munmap之后，通过下面的输出，我们的内存映射段已经被返回给操作系统了。

[email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$ cat /proc/6067/maps
 08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 08049000-0804a000 r--p 00000000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 539691     /home/sploitfun/ptmalloc.ppt/syscalls/mmap
 b7e21000-b7e22000 rw-p 00000000 00:00 0 
 ...
 [email protected]:~/ptmalloc.ppt/syscalls$

注意，在我们的程序中ASLR被关闭。