Linux堆内存管理深入分析(上)

Linux堆内存管理深入分析
(上半部)

作者：走位@阿里聚安全

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0 前言

近年来，漏洞挖掘越来越火，各种漏洞挖掘、利用的分析文章层出不穷。从大方向来看，主要有基于栈溢出的漏洞利用和基于堆溢出的漏洞利用两种。国内关于栈溢出的资料相对较多，这里就不累述了，但是关于堆溢出的漏洞利用资料就很少了。鄙人以为主要是堆溢出漏洞的门槛较高，需要先吃透相应操作系统的堆内存管理机制，而这部分内容一直是一个难点。因此本系列文章主要从Linux系统堆内存管理机制出发，逐步介绍诸如基本堆溢出漏洞、基于unlink的堆溢出漏洞利用、double free、use-after-free等等常见的堆溢出漏洞利用技术。

 

前段时间偶然学习了这篇文章：

https://sploitfun.wordpress.com/2015/02/10/understanding-glibc-malloc/comment-page-1/

该文是我近段时间以来读到的最好文章之一，文章浅显易懂，条例清晰，作为初学者的我从中学到了很多linux堆内存管理相关的知识。但是估计由于篇幅的限制，该文对很多难点一带而过，造成部分知识点理解上的困难。因此我决定以该文为蓝本，结合其他参考资料和自己的理解，写一篇足够详细、完整的linux堆管理介绍文章，希冀能够给其他初学者献上微末之力。所以就内容来源而言，本文主要由两部分组成：一部分是翻译的上面提及的文章；另一部分是笔者结合其他参考资料和自己的理解添加的补充说明。鉴于笔者知识能力上的不足，如有问题欢迎各位大牛斧正！

同样的，鉴于篇幅过长，我将文章分成了上下两部分，上部分主要介绍堆内存管理中的一些基本概念以及相互关系，同时也着重介绍了堆中chunk分配和释放策略中使用到的隐式链表技术。后半部分主要介绍glibc malloc为了提高堆内存分配和释放的效率，引入的显示链表技术，即binlist的概念和核心原理。其中使用到的源码在：

https://github.com/sploitfun/lsploits/tree/master/glibc

1 堆内存管理简介

当前针对各大平台主要有如下几种堆内存管理机制：

dlmalloc – General purpose allocator

ptmalloc2 – glibc

jemalloc – FreeBSD and Firefox

tcmalloc – Google

libumem – Solaris

 

本文主要学习介绍在linux glibc使用的ptmalloc2实现原理。

本来linux默认的是dlmalloc，但是由于其不支持多线程堆管理，所以后来被支持多线程的prmalloc2代替了。

当然在linux平台*malloc本质上都是通过系统调用brk或者mmap实现的。关于这部分内容，一定要学习下面这篇文章：

https://sploitfun.wordpress.com/2015/02/11/syscalls-used-by-malloc/

鉴于篇幅，本文就不加以详细说明了，只是为了方便后面对堆内存管理的理解，截取其中函数调用关系图：

图1-1 函数调用关系图

系统内存分布图：

图1-2系统内存分布图

 

2 实验演示

试想有如下代码：

/* Per thread arena example. */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h>   void* threadFunc(void* arg) {         printf("Before malloc in thread 1\n");         getchar();         char* addr = (char*) malloc(1000);         printf("After malloc and before free in thread 1\n");         getchar();         free(addr);         printf("After free in thread 1\n");         getchar(); }   int main() {         pthread_t t1;         void* s;         int ret;         char* addr;           printf("Welcome to per thread arena example::%d\n",getpid());         printf("Before malloc in main thread\n");