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堆相关数据结构学习（二）——bin

2021-11-23

What is bin

用户释放掉的chunk不会马上归还系统，而是会先丢进各种bin里面，当用户再次请求分配内存时，ptmalloc分配器会试图从bin中挑选空闲的合适的一块chunk给用户。这样可以避免频繁的系统调用，降低内存分配的开销。

bin初步分为4类：fast bins，small bins，large bins，unsorted bin，其内部又有更细化的划分。

对于 small bins，large bins，unsorted bin 来说，ptmalloc 将它们维护在同一个数组中。这些 bin 对应的数据结构在 malloc_state 中，如下

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#define NBINS 128
/* Normal bins packed as described above */
mchunkptr bins[ NBINS * 2 - 2 ];

bins 主要用于索引不同 bin 的 fd 和 bk。以 32 位系统为例，bins 前 4 项的含义如下

含义 bin1 的 fd/bin2 的 prev_size bin1 的 bk/bin2 的 size bin2 的 fd/bin3 的 prev_size bin2 的 bk/bin3 的 size
bin 下标 0 1 2 3

bin2 的 prev_size、size 和 bin1 的 fd、bk 是重合的。由于我们只会使用 fd 和 bk 来索引链表，所以该重合部分的数据其实记录的是 bin1 的 fd、bk。 也就是说，虽然后一个 bin 和前一个 bin 共用部分数据，但是其实记录的仍然是前一个 bin 的链表数据。

数组中的 bin 依次如下

  1. 第一个为 unsorted bin，字如其面，这里面的 chunk 没有进行排序，存储的 chunk 比较杂。
  2. 索引从 2 到 63 的 bin 称为 small bin，同一个 small bin 链表中的 chunk 的大小相同。两个相邻索引的 small bin 链表中的 chunk 大小相差的字节数为 2 个机器字长，即 32 位相差 8 字节，64 位相差 16 字节。
  3. small bins 后面的 bin 被称作 large bins。large bins 中的每一个 bin 都包含一定范围内的 chunk，其中的 chunk 按 fd 指针的顺序从大到小排列。相同大小的 chunk 同样按照最近使用顺序排列。

此外，上述这些 bin 的排布都会遵循一个原则：任意两个物理相邻的空闲 chunk 不能在一起。

需要注意的是，并不是所有的 chunk 被释放后就立即被放到 bin 中。ptmalloc 为了提高分配的速度，会把一些小的 chunk 先放到 fast bins 的容器内。而且，fastbin 容器中的 chunk 的使用标记总是被置位的，所以不满足上面的原则。

bin 通用的宏如下

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typedef struct malloc_chunk *mbinptr;

/* addressing -- note that bin_at(0) does not exist */
#define bin_at(m, i)                                                           \
    (mbinptr)(((char *) &((m)->bins[ ((i) -1) * 2 ])) -                        \
              offsetof(struct malloc_chunk, fd))

/* analog of ++bin */
//获取下一个bin的地址
#define next_bin(b) ((mbinptr)((char *) (b) + (sizeof(mchunkptr) << 1)))

/* Reminders about list directionality within bins */
// 这两个宏可以用来遍历bin
// 获取 bin 的位于链表头的 chunk
#define first(b) ((b)->fd)
// 获取 bin 的位于链表尾的 chunk
#define last(b) ((b)->bk)

Fast Bin

大多数程序经常会申请以及释放一些比较小的内存块。如果将一些较小的 chunk 释放之后发现存在与之相邻的空闲的 chunk 并将它们进行合并，那么当下一次再次申请相应大小的 chunk 时，就需要对 chunk 进行分割，这样就大大降低了堆的利用效率。因为我们把大部分时间花在了合并、分割以及中间检查的过程中。

因此，ptmalloc 中专门设计了 fast bin，对应的变量就是 malloc state 中的 fastbinsY

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/*
   Fastbins

    An array of lists holding recently freed small chunks.  Fastbins
    are not doubly linked.  It is faster to single-link them, and
    since chunks are never removed from the middles of these lists,
    double linking is not necessary. Also, unlike regular bins, they
    are not even processed in FIFO order (they use faster LIFO) since
    ordering doesn't much matter in the transient contexts in which
    fastbins are normally used.

    Chunks in fastbins keep their inuse bit set, so they cannot
    be consolidated with other free chunks. malloc_consolidate
    releases all chunks in fastbins and consolidates them with
    other free chunks.
 */
typedef struct malloc_chunk *mfastbinptr;

/*
    This is in malloc_state.*/
    /* Fastbins */
    mfastbinptr fastbinsY[ NFASTBINS ];

为了更加高效地利用 fast bin，glibc 采用单向链表对其中的每个 bin 进行组织，并且每个 bin 采取 LIFO 策略，最近释放的 chunk 会更早地被分配，所以会更加适合于局部性。

当用户需要的 chunk 的大小小于 fastbin 的最大大小时， ptmalloc 会首先判断 fastbin 中相应的 bin 中是否有对应大小的空闲块，如果有的话，就会直接从这个 bin 中获取 chunk。如果没有的话，ptmalloc 才会做接下来的一系列操作。

默认情况下（32 位系统为例）， fastbin 中默认支持最大的 chunk 的数据空间大小为 64 字节。但是其可以支持的 chunk 的数据空间最大为 80 字节。除此之外， fastbin 最多可以支持的 bin 的个数为 10 个，从数据空间为 8 字节开始一直到 80 字节（注意这里说的是数据空间大小，也即除去 prev_size 和 size 字段部分的大小）定义如下

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#define NFASTBINS (fastbin_index(request2size(MAX_FAST_SIZE)) + 1)

#ifndef DEFAULT_MXFAST
#define DEFAULT_MXFAST (64 * SIZE_SZ / 4)
#endif

/* The maximum fastbin request size we support */
#define MAX_FAST_SIZE (80 * SIZE_SZ / 4)

/*
   Since the lowest 2 bits in max_fast don't matter in size comparisons,
   they are used as flags.
 */

/*
   FASTCHUNKS_BIT held in max_fast indicates that there are probably
   some fastbin chunks. It is set true on entering a chunk into any
   fastbin, and cleared only in malloc_consolidate.

   The truth value is inverted so that have_fastchunks will be true
   upon startup (since statics are zero-filled), simplifying
   initialization checks.
 */
//判断分配区是否有 fast bin chunk，1表示没有
#define FASTCHUNKS_BIT (1U)

#define have_fastchunks(M) (((M)->flags & FASTCHUNKS_BIT) == 0)
#define clear_fastchunks(M) catomic_or(&(M)->flags, FASTCHUNKS_BIT)
#define set_fastchunks(M) catomic_and(&(M)->flags, ~FASTCHUNKS_BIT)

/*
   NONCONTIGUOUS_BIT indicates that MORECORE does not return contiguous
   regions.  Otherwise, contiguity is exploited in merging together,
   when possible, results from consecutive MORECORE calls.

   The initial value comes from MORECORE_CONTIGUOUS, but is
   changed dynamically if mmap is ever used as an sbrk substitute.
 */
// MORECORE是否返回连续的内存区域。
// 主分配区中的MORECORE其实为sbr()，默认返回连续虚拟地址空间
// 非主分配区使用mmap()分配大块虚拟内存，然后进行切分来模拟主分配区的行为
// 而默认情况下mmap映射区域是不保证虚拟地址空间连续的，所以非主分配区默认分配非连续虚拟地址空间。
#define NONCONTIGUOUS_BIT (2U)

#define contiguous(M) (((M)->flags & NONCONTIGUOUS_BIT) == 0)
#define noncontiguous(M) (((M)->flags & NONCONTIGUOUS_BIT) != 0)
#define set_noncontiguous(M) ((M)->flags |= NONCONTIGUOUS_BIT)
#define set_contiguous(M) ((M)->flags &= ~NONCONTIGUOUS_BIT)

/* ARENA_CORRUPTION_BIT is set if a memory corruption was detected on the
   arena.  Such an arena is no longer used to allocate chunks.  Chunks
   allocated in that arena before detecting corruption are not freed.  */

#define ARENA_CORRUPTION_BIT (4U)

#define arena_is_corrupt(A) (((A)->flags & ARENA_CORRUPTION_BIT))
#define set_arena_corrupt(A) ((A)->flags |= ARENA_CORRUPTION_BIT)

/*
   Set value of max_fast.
   Use impossibly small value if 0.
   Precondition: there are no existing fastbin chunks.
   Setting the value clears fastchunk bit but preserves noncontiguous bit.
 */

#define set_max_fast(s)                                                        \
    global_max_fast =                                                          \
        (((s) == 0) ? SMALLBIN_WIDTH : ((s + SIZE_SZ) & ~MALLOC_ALIGN_MASK))
#define get_max_fast() global_max_fast

ptmalloc 默认情况下会调用 set_max_fast(s) 将全局变量 global_max_fast 设置为 DEFAULT_MXFAST，也就是设置 fast bins 中 chunk 的最大值。当 MAX_FAST_SIZE 被设置为 0 时，系统就不会支持 fastbin 。

fastbin 的索引

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#define fastbin(ar_ptr, idx) ((ar_ptr)->fastbinsY[ idx ])

/* offset 2 to use otherwise unindexable first 2 bins */
// chunk size=2*size_sz*(2+idx)
// 这里要减2，否则的话，前两个bin没有办法索引到。
#define fastbin_index(sz)                                                      \
    ((((unsigned int) (sz)) >> (SIZE_SZ == 8 ? 4 : 3)) - 2)

需要特别注意的是，fastbin 范围的 chunk 的 inuse 始终被置为 1。因此它们不会和其它被释放的 chunk 合并。

但是当释放的 chunk 与该 chunk 相邻的空闲 chunk 合并后的大小大于 FASTBIN_CONSOLIDATION_THRESHOLD 时，内存碎片可能比较多了，我们就需要把 fast bins 中的 chunk 都进行合并，以减少内存碎片对系统的影响。

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#define FASTBIN_CONSOLIDATION_THRESHOLD (65536UL)

Small Bin

small bins 中每个 chunk 的大小与其所在的 bin 的 index 的关系为：chunk_size = 2 * SIZE_SZ *index，具体如下

下标 SIZE_SZ=4（32 位） SIZE_SZ=8（64 位）
2 16 32
3 24 48
4 32 64
5 40 80
x 24x 28x
63 504 1008

small bin 中一共有62个循环双向链表，每个链表里存储的chunk大小都一样。此外，small bins 中每个 bin 对应的链表采用 FIFO 的规则，所以同一个链表中先被释放的 chunk 会先被分配出去。

small bin 相关的宏如下

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#define NSMALLBINS 64
#define SMALLBIN_WIDTH MALLOC_ALIGNMENT
// 是否需要对small bin的下标进行纠正
#define SMALLBIN_CORRECTION (MALLOC_ALIGNMENT > 2 * SIZE_SZ)

#define MIN_LARGE_SIZE ((NSMALLBINS - SMALLBIN_CORRECTION) * SMALLBIN_WIDTH)
//判断chunk的大小是否在small bin范围内
#define in_smallbin_range(sz)                                                  \
    ((unsigned long) (sz) < (unsigned long) MIN_LARGE_SIZE)
// 根据chunk的大小得到small bin对应的索引。
#define smallbin_index(sz)                                                     \
    ((SMALLBIN_WIDTH == 16 ? (((unsigned) (sz)) >> 4)                          \
                           : (((unsigned) (sz)) >> 3)) +                       \
     SMALLBIN_CORRECTION)

Large Bin

large bins 中一共包括 63 个 bin，每个 bin 中的 chunk 的大小不一致，而是处于一定区间范围内。此外，这 63 个 bin 被分成了 6 组，每组 bin 中的 chunk 大小之间的公差一致，具体如下：

组 数量 公差
1 32 64B
2 16 512B
3 8 4096B
4 4 32768B
5 2 262144B
6 1 不限制

这里我们以 32 位平台的 large bin 为例，第一个 large bin 的起始 chunk 大小为 512 字节，位于第一组，所以该 bin 可以存储的 chunk 的大小范围为 [512,512+64)。

关于 large bin 的宏如下，这里我们以 32 位平台下，第一个 large bin 的起始 chunk 大小为例，为 512 字节，那么 512>>6 = 8，所以其下标为 56+8=64。

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#define largebin_index_32(sz)                                                  \
    (((((unsigned long) (sz)) >> 6) <= 38)                                     \
         ? 56 + (((unsigned long) (sz)) >> 6)                                  \
         : ((((unsigned long) (sz)) >> 9) <= 20)                               \
               ? 91 + (((unsigned long) (sz)) >> 9)                            \
               : ((((unsigned long) (sz)) >> 12) <= 10)                        \
                     ? 110 + (((unsigned long) (sz)) >> 12)                    \
                     : ((((unsigned long) (sz)) >> 15) <= 4)                   \
                           ? 119 + (((unsigned long) (sz)) >> 15)              \
                           : ((((unsigned long) (sz)) >> 18) <= 2)             \
                                 ? 124 + (((unsigned long) (sz)) >> 18)        \
                                 : 126)

#define largebin_index_32_big(sz)                                              \
    (((((unsigned long) (sz)) >> 6) <= 45)                                     \
         ? 49 + (((unsigned long) (sz)) >> 6)                                  \
         : ((((unsigned long) (sz)) >> 9) <= 20)                               \
               ? 91 + (((unsigned long) (sz)) >> 9)                            \
               : ((((unsigned long) (sz)) >> 12) <= 10)                        \
                     ? 110 + (((unsigned long) (sz)) >> 12)                    \
                     : ((((unsigned long) (sz)) >> 15) <= 4)                   \
                           ? 119 + (((unsigned long) (sz)) >> 15)              \
                           : ((((unsigned long) (sz)) >> 18) <= 2)             \
                                 ? 124 + (((unsigned long) (sz)) >> 18)        \
                                 : 126)

// XXX It remains to be seen whether it is good to keep the widths of
// XXX the buckets the same or whether it should be scaled by a factor
// XXX of two as well.
#define largebin_index_64(sz)                                                  \
    (((((unsigned long) (sz)) >> 6) <= 48)                                     \
         ? 48 + (((unsigned long) (sz)) >> 6)                                  \
         : ((((unsigned long) (sz)) >> 9) <= 20)                               \
               ? 91 + (((unsigned long) (sz)) >> 9)                            \
               : ((((unsigned long) (sz)) >> 12) <= 10)                        \
                     ? 110 + (((unsigned long) (sz)) >> 12)                    \
                     : ((((unsigned long) (sz)) >> 15) <= 4)                   \
                           ? 119 + (((unsigned long) (sz)) >> 15)              \
                           : ((((unsigned long) (sz)) >> 18) <= 2)             \
                                 ? 124 + (((unsigned long) (sz)) >> 18)        \
                                 : 126)

#define largebin_index(sz)                                                     \
    (SIZE_SZ == 8 ? largebin_index_64(sz) : MALLOC_ALIGNMENT == 16             \
                                                ? largebin_index_32_big(sz)    \
                                                : largebin_index_32(sz))

Unsorted Bin

unsorted bin 可以视为空闲 chunk 回归其所属 bin 之前的缓冲区。

从下面的宏我们可以看出

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/* The otherwise unindexable 1-bin is used to hold unsorted chunks. */
#define unsorted_chunks(M) (bin_at(M, 1))

unsorted bin 处于我们之前所说的 bin 数组下标 1 处。故而 unsorted bin 只有一个链表。unsorted bin 中的空闲 chunk 处于乱序状态，主要有两个来源

  • 当一个较大的 chunk 被分割成两半后，如果剩下的部分大于 MINSIZE，就会被放到 unsorted bin 中。
  • 释放一个不属于 fast bin 的 chunk，并且该 chunk 不和 top chunk 紧邻时，该 chunk 会被首先放到 unsorted bin 中。

此外，Unsorted Bin 在使用的过程中，采用的遍历顺序是 FIFO 。

Top Chunk

程序第一次进行 malloc 的时候，heap 会被分为两块，一块给用户，剩下的那块就是 top chunk。其实，所谓的 top chunk 就是处于当前堆的物理地址最高的 chunk。这个 chunk 不属于任何一个 bin，它的作用在于当所有的 bin 都无法满足用户请求的大小时，如果其大小不小于指定的大小，就进行分配，并将剩下的部分作为新的 top chunk。否则，就对 heap 进行扩展后再进行分配。在 main arena 中通过 sbrk 扩展 heap，而在 thread arena 中通过 mmap 分配新的 heap。

需要注意的是，top chunk 的 prev_inuse 比特位始终为 1，否则其前面的 chunk 就会被合并到 top chunk 中。

初始情况下，我们可以将 unsorted chunk 作为 top chunk。

last remainder

在用户使用 malloc 请求分配内存时，ptmalloc2 找到的 chunk 可能并不和申请的内存大小一致，这时候就将分割之后的剩余部分称之为 last remainder chunk ，unsort bin 也会存这一块。top chunk 分割剩下的部分不会作为 last remainder.

arena

对于不同系统，arena 数量的约束如下

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For 32 bit systems:
     Number of arena = 2 * number of cores.
For 64 bit systems:
     Number of arena = 8 * number of cores.

显然，不是每一个线程都会有对应的 arena。至于为什么 64 位系统，要那么设置，我也没有想明白。此外，因为每个系统的核数是有限的，当线程数大于核数的二倍（超线程技术）时，就必然有线程处于等待状态，所以没有必要为每个线程分配一个 arena。

区别

与 thread 不同的是，main_arena 并不在申请的 heap 中，而是一个全局变量，在 libc.so 的数据段。

heap_info

程序刚开始执行时，每个线程是没有 heap 区域的。当其申请内存时，就需要一个结构来记录对应的信息，而 heap_info 的作用就是这个。

该数据结构是专门为从 Memory Mapping Segment 处申请的内存准备的，即为非主线程准备的。

主线程可以通过 sbrk() 函数扩展 program break location 获得（直到触及 Memory Mapping Segment），只有一个 heap，没有 heap_info 数据结构。

heap_info 的主要结构如下

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#define HEAP_MIN_SIZE (32 * 1024)
#ifndef HEAP_MAX_SIZE
# ifdef DEFAULT_MMAP_THRESHOLD_MAX
#  define HEAP_MAX_SIZE (2 * DEFAULT_MMAP_THRESHOLD_MAX)
# else
#  define HEAP_MAX_SIZE (1024 * 1024) /* must be a power of two */
# endif
#endif

/* HEAP_MIN_SIZE and HEAP_MAX_SIZE limit the size of mmap()ed heaps
   that are dynamically created for multi-threaded programs.  The
   maximum size must be a power of two, for fast determination of
   which heap belongs to a chunk.  It should be much larger than the
   mmap threshold, so that requests with a size just below that
   threshold can be fulfilled without creating too many heaps.  */

/***************************************************************************/

/* A heap is a single contiguous memory region holding (coalesceable)
   malloc_chunks.  It is allocated with mmap() and always starts at an
   address aligned to HEAP_MAX_SIZE.  */

typedef struct _heap_info
{
  mstate ar_ptr; /* Arena for this heap. */
  struct _heap_info *prev; /* Previous heap. */
  size_t size;   /* Current size in bytes. */
  size_t mprotect_size; /* Size in bytes that has been mprotected
                           PROT_READ|PROT_WRITE.  */
  /* Make sure the following data is properly aligned, particularly
     that sizeof (heap_info) + 2 * SIZE_SZ is a multiple of
     MALLOC_ALIGNMENT. */
  char pad[-6 * SIZE_SZ & MALLOC_ALIGN_MASK];
} heap_info;

该结构主要是描述堆的基本信息，包括

  • 堆对应的 arena 的地址
  • 由于一个线程申请一个堆之后，可能会使用完，之后就必须得再次申请。因此，一个线程可能会有多个堆。prev 即记录了上一个 heap_info 的地址。这里可以看到每个堆的 heap_info 是通过单向链表进行链接的。
  • size 表示当前堆的大小
  • 最后一部分确保对齐

malloc_state

该结构用于管理堆，记录每个 arena 当前申请的内存的具体状态，比如说是否有空闲 chunk，有什么大小的空闲 chunk 等等。无论是 thread arena 还是 main arena，它们都只有一个 malloc state 结构。由于 thread 的 arena 可能有多个，malloc state 结构会在最新申请的 arena 中。

注意，main arena 的 malloc_state 并不是 heap segment 的一部分，而是一个全局变量，存储在 libc.so 的数据段。

其结构如下

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struct malloc_state {
    /* Serialize access.  */
    __libc_lock_define(, mutex);

    /* Flags (formerly in max_fast).  */
    int flags;

    /* Fastbins */
    mfastbinptr fastbinsY[ NFASTBINS ];

    /* Base of the topmost chunk -- not otherwise kept in a bin */
    mchunkptr top;

    /* The remainder from the most recent split of a small request */
    mchunkptr last_remainder;

    /* Normal bins packed as described above */
    mchunkptr bins[ NBINS * 2 - 2 ];

    /* Bitmap of bins, help to speed up the process of determinating if a given bin is definitely empty.*/
    unsigned int binmap[ BINMAPSIZE ];

    /* Linked list, points to the next arena */
    struct malloc_state *next;

    /* Linked list for free arenas.  Access to this field is serialized
       by free_list_lock in arena.c.  */
    struct malloc_state *next_free;

    /* Number of threads attached to this arena.  0 if the arena is on
       the free list.  Access to this field is serialized by
       free_list_lock in arena.c.  */
    INTERNAL_SIZE_T attached_threads;

    /* Memory allocated from the system in this arena.  */
    INTERNAL_SIZE_T system_mem;
    INTERNAL_SIZE_T max_system_mem;
};
  • __libc_lock_define(, mutex);
    • 该变量用于控制程序串行访问同一个分配区，当一个线程获取了分配区之后，其它线程要想访问该分配区，就必须等待该线程分配完成后才能够使用。
  • flags
    • flags 记录了分配区的一些标志，比如 bit0 记录了分配区是否有 fast bin chunk ，bit1 标识分配区是否能返回连续的虚拟地址空间。具体如下
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/*
   FASTCHUNKS_BIT held in max_fast indicates that there are probably
   some fastbin chunks. It is set true on entering a chunk into any
   fastbin, and cleared only in malloc_consolidate.
   The truth value is inverted so that have_fastchunks will be true
   upon startup (since statics are zero-filled), simplifying
   initialization checks.
 */

#define FASTCHUNKS_BIT (1U)

#define have_fastchunks(M) (((M)->flags & FASTCHUNKS_BIT) == 0)
#define clear_fastchunks(M) catomic_or(&(M)->flags, FASTCHUNKS_BIT)
#define set_fastchunks(M) catomic_and(&(M)->flags, ~FASTCHUNKS_BIT)

/*
   NONCONTIGUOUS_BIT indicates that MORECORE does not return contiguous
   regions.  Otherwise, contiguity is exploited in merging together,
   when possible, results from consecutive MORECORE calls.
   The initial value comes from MORECORE_CONTIGUOUS, but is
   changed dynamically if mmap is ever used as an sbrk substitute.
 */

#define NONCONTIGUOUS_BIT (2U)

#define contiguous(M) (((M)->flags & NONCONTIGUOUS_BIT) == 0)
#define noncontiguous(M) (((M)->flags & NONCONTIGUOUS_BIT) != 0)
#define set_noncontiguous(M) ((M)->flags |= NONCONTIGUOUS_BIT)
#define set_contiguous(M) ((M)->flags &= ~NONCONTIGUOUS_BIT)

/* ARENA_CORRUPTION_BIT is set if a memory corruption was detected on the
   arena.  Such an arena is no longer used to allocate chunks.  Chunks
   allocated in that arena before detecting corruption are not freed.  */

#define ARENA_CORRUPTION_BIT (4U)

#define arena_is_corrupt(A) (((A)->flags & ARENA_CORRUPTION_BIT))
#define set_arena_corrupt(A) ((A)->flags |= ARENA_CORRUPTION_BIT)
  • fastbinsY[NFASTBINS]
    • 存放每个 fast chunk 链表头部的指针
  • top
    • 指向分配区的 top chunk
  • last_reminder
    • 最新的 chunk 分割之后剩下的那部分
  • bins
    • 用于存储 unstored bin，small bins 和 large bins 的 chunk 链表。
  • binmap
    • ptmalloc 用一个 bit 来标识某一个 bin 中是否包含空闲 chunk 。

参考资料

ctf wiki（边理解边搬运罢了。。

updated at 2021-11-24

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