ptmalloc2

---

ptmalloc2

ptmalloc2(pthread malloc 2)는 Wolfram Gloger가 개발한 Memory Allocator로

(이하 ptmalloc이라 함)

Doug Lea의 dlmalloc을 개선한 ptmalloc의 두 번째 버전이다.

 ptmalloc은 리눅스에서 사용하고 있으며 GLibc에 구현되어 있다.

ptmalloc의 목표는 "메모리의 효율적인 관리"이다.

이는 아래와 같은 목표를 가지고 있다.

1. 메모리 낭비 방지

컴퓨터의 전체 메모리는 한정적이므로 새로운 메모리 공간을 무한히 할당할 수는 없다.

그래서 ptmalloc은 메모리 할당 요청이 발생하면

먼저 해제된 메모리 공간 중에서 재사용할 수 있는 공간이 있는지 탐색한다.

해제된 메모리 공간 중에서 요청된 크기와 같은 크기의 메모리 공간이 있다면 이를 그대로 재사용한다.

작은 크기의 할당 요청이 발생했을 때 해제된 메모리 공간 중 매우 큰 메모리 공간이 있으면 그 영역을 나누어 주기도 한다.

 

2. 빠른 메모리 재사용

특정 메모리 공간을 해제한 이후에 이를 빠르게 재사용하기 위해

ptmalloc은 메모리 공간을 해제할 때

tcache 또는 bin이라는 연결 리스트에 해제된 공간의 정보를 저장해둔다.
tcache와 bin은 여러 개가 정의되어 있으며

각각은 서로 다른 크기의 메모리 공간들을 저장한다.

3. 메모리 단편화 방지

내부 단편화는 할당한 메모리 공간의 크기에 비해 실제 데이터가 점유하는 공간이 적을 때 발생한다.

반대로 외부 단편화는 할당한 메모리 공간들 사이에 공간이 많아서 발생하는 비효율을 의미한다. 

ptmalloc은 단편화를 줄이기 위해 정렬(Alignment)과 병합(Coalescence) 그리고 분할(Split)을 사용한다.

64비트 환경에서 ptmalloc은 메모리 공간을 16바이트 단위로 할당한다.

사용자가 어떤 크기의 메모리 공간을 요청하면 16바이트 단위의 메모리 공간을 제공하는데

4바이트를 요청하면 16바이트를, 17바이트를 요청하면 32바이트를 할당해주는 식이다.

이렇게 공간을 정렬하면 16바이트 이내의 내부 단편화가 발생할 수 있지만 외부 단편화를 감소시키는 효과가 있다.

한편, ptmalloc은 특정 조건을 만족하면 해제된 공간들을 병합하기도 한다.

병합으로 생성된 큰 공간은 그 공간과 같은 크기의 요청 또는 그보다 작은 요청에 의해 분할되어 재사용된다.

잘게 나뉜 영역을 병합하고 필요할 때 구역을 다시 설정함으로써

해제된 공간의 재사용률을 높이고 외부 단편화를 줄일 수 있다.

 

---

chunk

청크(Chunk)는 덩어리라는 뜻으로 ptmalloc이 할당한 메모리 공간을 의미한다.

청크는 헤더와 데이터로 구성된다.

헤더는 청크 관리에 필요한 정보를 담고 있으며

데이터 영역에는 사용자가 입력한 데이터가 저장된다.

사용 중인 청크(in-use)의 헤더와 해제된 청크(freed)의 헤더는 구조가 다소 다른데

사용 중인 청크는 fd와 bk를 사용하지 않고 그 영역에 사용자가 입력한 데이터를 저장한다.

청크 헤더의 각 요소는 다음과 같다.

이름	크기	의미
prev_size	8 bytes	인접한 직전 청크의 크기. 청크를 병합할 때 직전 청크를 찾는 데 사용된다.
size	8 bytes	현재 청크의 크기(헤더의 크기도 포함). 64비트 환경에서 사용 중인 청크 헤더의 크기는 16바이트이므로 사용자가 요청한 크기를 정렬하고 그 값에 16바이트를 더한 값이 된다.
flags	3 bytes	64비트 환경에서 청크는 16바이트 단위로 할당되므로 size의 하위 4비트는 사용하지 않는다. 그래서 ptmalloc은 size의 하위 3비트를 청크 관리에 필요한 플래그 값으로 사용한다. 각 플래그는 allocated arena(A), mmap’d(M), prev-in-use(P) 순으로 표시한다. allocated arena(non_main_aena) : 0이면 main arean와 main heap에서 왔음을 의미한다. 1이면 mmap'd memory에서 왔음을 의미한다. mmap'd : 청크가 단일 mmap() 호출로 할당된 영역임을 나타낸다. prev-in-use : 직전 청크가 사용 중인지를 나타낸다. ptmalloc은 이 플래그를 참조하여 병합이 필요한지 판단할 수 있다.
fd	8 bytes	연결 리스트에서 다음 청크를 가리킴. 해제된 청크에만 있다.
bk	8 bytes	연결 리스트에서 이전 청크를 가리킴. 해제된 청크에만 있다.

 

---

bin

bin은 사용이 끝난 청크들이 저장되는 객체이다.

메모리의 낭비를 막고 해제된 청크를 빠르게 재사용할 수 있게 한다.

ptmalloc에는 총 128개의 bin이 정의되어 있다.

이 중 62개는 smallbin, 63개는 largebin, 1개는 unsortedbin으로 사용되고

나머지 2개는 사용되지 않는다.

 

---

smallbin

smallbin에는 32 바이트 이상 1024 바이트 미만의 크기를 갖는 청크들이 보관된다.

하나의 smallbin에는 같은 크기의 청크들만 보관되며

index가 증가하면 저장되는 청크들의 크기는 16바이트씩 커진다.

즉 smallbin[0]는 32바이트 크기의 청크를, smallbin[61]은 1008 바이트 크기의 청크를 보관한다.

smallbin은 원형 이중 연결 리스트(circular doubly-linked list)이며

먼저 해제된 청크가 먼저 재할당 되는 FIFO(First-In-First-Out, 선입선출) 방식으로 운영된다.

 

청크를 관리하는 방법에는 크게 LIFO(Last-In-First-Out), FIFO, address-ordered가 있다.

LIFO는 속도가 빠르지만 파편화가 심하고

address-ordered는 정렬이 필요해 속도는 느리지만 파편화가 가장 적다고 한다.

FIFO는 두 가지의 중간이다.

이중 연결 리스트의 특성상 smallbin에 청크를 추가하거나 꺼낼 때 연결 고리를 끊는 unlink 과정이 필요하다.

또한, smallbin의 청크들은 ptmalloc의 병합 대상이다.

메모리상에서 인접한 두 청크가 해제되어 있고 이들이 smallbin에 들어있으면 이 둘은 병합된다.

ptmalloc은 이 과정을 consolidation(합병, 합동)이라고 부른다.

 

---

fastbin

일반적으로 크기가 작은 청크들이 큰 청크들보다 빈번하게 할당되고 해제된다.

그래서 작은 청크들의 할당과 해제를 효율적으로 하는 게 전체적인 효율성 측면에서 중요하다.

ptmalloc은 어떤 크기를 정해두고 이보다 작은 청크들은 smallbin이 아니라 fastbin에 저장한다.

그리고 이들을 관리할 때는 메모리 단편화보다 속도를 조금 더 우선순위로 둔다.

fastbin에는 32 바이트 이상 176 바이트 이하 크기의 청크들이 보관되며

이에 따라 16바이트 단위로 총 10개의 fastbin이 있다.

리눅스는 이 중에서 작은 크기부터 7개(32바이트 이상, 128바이트 이하)의 fastbin만을 사용한다.

fastbin은 단일 연결 리스트이므로 청크를 꺼낼 때 unlink과정을 수행하지 않아도 된다.

fastbin은 LIFO 방식을 사용해서 나중에 해제된 청크가 먼저 재할당 된다.

fastbin에 저장되는 청크들은 서로 병합되지 않아서 청크 간 병합에 사용되는 연산도 아낄 수 있다.

---

largebin

largebin은 1024 바이트 이상의 크기를 갖는 청크들이 보관된다.

총 63개의 largebin이 있는데 smallbin, fastbin과 달리

한 largebin에서 일정 범위 안의 크기를 갖는 청크들을 모두 보관한다.

이 범위는 largebin의 인덱스가 증가하면 로그적으로 증가한다.

예를 들어, largebin[0]는 1024 바이트 이상, 1088 바이트 미만의 청크를 보관하며,

largebin[32]는 3072 바이트 이상, 3584 바이트 미만의 청크를 보관한다.

이런 방법을 사용하면 적은 수의 largebin으로 다양한 크기를 갖는 청크들을 관리할 수 있다.

largebin은 범위에 해당하는 모든 청크를 보관하기 때문에

재할당 요청이 발생했을 때 ptmalloc은 그 안에서 크기가 가장 비슷한 청크(best-fit)를 꺼내 재할당 한다.

이 과정을 빠르게 하려고 ptmalloc은 largebin안의 청크를 크기 내림차순으로 정렬한다.

largebin은 이중 연결 리스트이므로 재할당 과정에서 unlink도 동반된다.

또한, 연속된 largebin 청크들은 병합의 대상이 된다.

 

---

unsortedbin

unsortedbin은 분류되지 않은 청크들을 보관하는 bin 이다.

unsortedbin은 하나만 존재하며 fastbin에 들어가지 않는 모든 청크들은

해제되었을 때 크기를 구분하지 않고 unsortedbin에 보관된다.

unsortedbin은 원형 이중 연결 리스트이며 내부적으로 정렬되지는 않는다.

smallbin 크기에 해당하는 청크를 할당 요청하면

ptmalloc은 fastbin 또는 smallbin을 탐색한 뒤 unsortedbin을 탐색한다.

largebin의 크기에 해당하는 청크는 unsortedbin을 먼저 탐색한다.

unsortedbin에서 적절한 청크가 발견되면 해당 청크를 꺼내어 사용한다.

이 과정에서 탐색된 청크들은 크기에 따라 적절한 bin으로 분류된다.

ptmalloc은 unsortedbin을 활용하여 불필요한 연산을 줄이고 성능을 최적화한다.

(연구에 따르면 어떤 청크를 해제한 다음에 비슷한 크기의 청크를 바로 할당하거나

또는 한번에 여러 청크들을 연속적으로 해제하는 하는 경우가 빈번하게 발생한다고 한다)

 

청크를 해제한 다음에 비슷한 크기의 청크를 바로 할당하는 경우,

unsortedbin을 사용하면 청크 분류에 낭비되는 비용을 없앨 수 있다.

청크의 크기가 largebin의 범위에 속하면 청크를 연결할 적절한 위치를 탐색해야 하는데 이 과정도 생략할 수 있다.

 

한번에 여러 청크들을 연속적으로 해제하는 하는 경우,

연속적으로 청크를 해제하면서 병합하고 재분류하는 과정이 반복적으로 발생한다.

unsortedbin을 사용하면 이러한 비용을 줄일 수 있다.

 

---

arena

arena는 fastbin, smallbin, largebin 등의 정보를 모두 담고 있는 객체이다.

멀티 쓰레드 환경에서 ptmalloc은 레이스 컨디션을 막기 위해 arena에 접근할 때 arena에 락을 적용한다.

이 방식을 사용하면 레이스 컨디션은 막을 수 있지만 병목 현상을 일으킬 수 있다.

ptmalloc은 이를 최대한 피하기 위해 최대 64개의 arena를 생성할 수 있게 하고 있다.

락이 걸려서 대기해야 하는 경우 새로운 arena를 생성해서 병목 현상을 피할 수 있는 것이다.

하지만 생성할 수 있는 개수가 64개로 제한되어 있으므로 과도한 멀티 쓰레드 환경에서는 결국 병목 현상이 발생한다.

그래서 GLibc 2.26에서는 tcache를 추가적으로 도입했다.

---

tcache(thread local cache)

tcache는 각 쓰레드에 독립적으로 할당되는 캐시 저장소를 지칭한다.

GLibc 버전 2.26에서 도입되었으며 멀티 쓰레드 환경에 더욱 최적화된 메모리 관리 메커니즘을 제공한다.

각 쓰레드는 64개의 tcache를 가지고 있다.

tcache는 fastbin과 마찬가지로 LIFO 방식으로 사용되는 단일 연결리스트이며

하나의 tcache는 같은 크기의 청크들만 보관한다.

 

리눅스는 각 tcache에 보관할 수 있는 청크의 갯수를 7개로 제한하고 있는데

이는 쓰레드마다 정의되는 tcache의 특성상

무제한으로 청크를 연결할 수 있으면 메모리가 낭비될 수 있기 때문이다.

tcache에 들어간 청크들은 병합되지 않는다.

tcache에는 32 바이트 이상, 1040 바이트 이하의 크기를 갖는 청크들이 보관된다.

이 범위에 속하는 청크들은 할당 및 해제될 때 tcache를 가장 먼저 조회한다.

청크가 보관될 tcache가 가득찼을 경우에는 적절한 bin으로 분류된다.

tcache는 각 쓰레드가 고유하게 갖는 캐시이기 때문에

ptmalloc은 레이스 컨디션을 고려하지 않고 이 캐시에 접근할 수 있다.

arena의 bin에 접근하기 전에 tcache를 먼저 사용하므로

arena에서 발생할 수 있는 병목 현상을 완화하는 효과가 있다.

tcache는 보안 검사가 많이 생략되어 있어서

공격자들에게 힙 익스플로잇의 좋은 도구로 활용되고 있다.

---

레퍼런스

https://learn.dreamhack.io/98

로그인 | Dreamhack

https://umbum.dev/386

[glibc] malloc - 1

https://jeongzero.oopy.io/c2d97ae0-eecb-4ed9-a247-a5eec5cc103d#c2d97ae0-eecb-4ed9-a247-a5eec5cc103d