ptmalloc2

ptmalloc2(pthread malloc 2)는 dlmalloc을 개선한 ptmalloc의 두번째 버전 Memory Allocator입니다.

ptmalloc의 구현 목표는 메모리의 효율적인 관리입니다.

핵심

1. 메모리의 낭비 방지
2. 빠른 메모리 재사용
3. 메모리 단편화 방지

메모리 낭비 방지

ptmalloc은 메모리 할당 요청이 발생하면, 먼저 해제된 메모리 공간 중에서 재사용할 수 있는 공간이 있는지 탐색합니다.

해제된 메모리 공간 중에서 요청된 크기와 같은 크기의 메모리 공간이 있다면 이를 그대로 재사용하게 합니다. 또한, 작은 크기의 할당 요청이 발생했을 때, 해제된 메모리 공간 중 매우 큰 메모리 공간이 있으면 그 영역을 나누어 주기도 합니다.

빠른 메모리 재사용

특정 메모리 공간을 해제한 이후에 이를 빠르게 재사용하기 위해서는 해제된 메모리 공간의 주소를 기억하고 있어야 합니다. 이를 위해 ptmalloc은 메모리 공간을 해제할 때, tcache 또는 bin이라는 연결 리스트에 해제된 공간의 정보를 저장해둡니다.

tcache와 bin은 여러 개가 정의되어 있으며, 각각은 서로 다른 크기의 메모리 공간들을 저장합니다. 이렇게 하면 특정 크기의 할당 요청이 발생했을 때, 그 크기와 관련된 저장소만 탐색하면 되므로 더욱 효율적으로 공간을 재사용할 수 있습니다.

메모리 단편화 방지

내부 단편화는 할당한 메모리 공간의 크기에 비해 실제 데이터가 점유하는 공간이 적을 때 발생합니다. 반대로 외부 단편화는 할당한 메모리 공간들 사이에 공간이 많아서 발생하는 비효율을 의미합니다. 단편화가 심해질수록, 각 데이터 사이에 공간이 많아져서 메모리 사용의 효율이 감소합니다.

ptmalloc은 단편화를 줄이기 위해 정렬(Alignment)과 병합(Coalescence) 그리고 분할(Split)을 사용합니다. 64비트 환경에서 ptmalloc은 메모리 공간을 16바이트 단위로 할당해줍니다. 이렇게 공간을 정렬하면 16바이트 이내의 내부 단편화가 발생할 수 있지만, 역설적으로 외부 단편화를 감소시키는 효과가 있습니다.

공간을 해제하고 재사용할 때, 정확히 같은 크기의 할당 요청이 발생할 확률보다 비슷한 크기의 요청이 발생할 확률이 높습니다. 그래서 비슷한 크기의 요청에 대해서는 모두 같은 크기의 공간을 반환해야 해제된 청크들의 재사용률을 높이고, 외부 단편화도 줄일 수 있습니다.

한편, ptmalloc은 특정 조건을 만족하면 해제된 공간들을 병합하기도 합니다. 병합으로 생성된 큰 공간은 그 공간과 같은 크기의 요청에 의해, 또는 그보다 작은 요청에 의해 분할되어 재사용됩니다. 잘게 나뉜 영역을 병합하고, 필요할 때 구역을 다시 설정함으로써 해제된 공간의 재사용률을 높이고, 외부 단편화를 줄일 수 있습니다.

ptmalloc의 객체

ptmalloc2는 Chunk, bin, tcache, arena를 주요 객체로 사용합니다.

청크

청크(Chunk)는 ptmalloc이 할당한 메모리 공간을 의미합니다. 청크는 헤더와 데이터로 구성되는데, 헤더는 청크 관리에 필요한 정보를 담고 있고, 데이터 영역에는 사용자가 입력한 데이터가 저장됩니다.

헤더는 사용 중인 청크(in-use)의 헤더와 해제된 청크(freed)의 헤더는 구조가 다소 다릅니다. 사용 중인 청크는 fd와 bk를 사용하지 않고, 그 영역에 사용자가 입력한 데이터를 저장합니다.

청크 헤더의 각 요소

이름	크기	의미
prev_size	8바이트	인접한 직전 청크의 크기. 청크를 병합할 때 직전 청크를 찾는 데 사용됩니다.
size	8바이트	청크의 크기 ⇛ data + header(16 Bytes)
flags	3비트	ptmalloc은 size의 하위 3비트를 청크 관리에 필요한 플래그 값으로 사용합니다. 각 플래그는 순서대로 allocated arena(A), mmap'd(M), prev-in-use(P)를 나타냅니다. prev-in-use 플래그는 직전 청크가 사용 중인지를 나타내므로, 병합이 필요한지 판단할 때 참조됩니다.
fd	8바이트	연결 리스트에서 다음 청크를 가리킴. 해제된 청크에만 존재
bk	8바이트	연결 리스트에서 이전 청크를 가리킴. 해제된 청크에만 존재

bin

bin은 사용이 끝난 청크들이 저장되는 객체입니다. 메모리의 낭비를 막고, 해제된 청크를 빠르게 재사용할 수 있게 됩니다.

ptmalloc에는 총 128개의 bin이 저장되어 있습니다. 이중 62개는 smallbin, 63개는 largebin, 1개는 unsortedbin으로 사용되고, 나머지 2개는 사용되지 않습니다.

smallbin

smallbin에는 32 바이트 이상 1024 바이트 미만의 크기를 갖는 청크들이 보관됩니다. 하나의 smallbin에는 같은 크기의 청크들만 보관되며, index가 증가하면 저장되는 청크들의 크기는 16바이트씩 커집니다.

smallbin[0] ==> 32바이트, smallbin[61] ==> 1008바이트

smallbin은 원형 이중 연결 리스트이며 먼저 해제된 청크가 먼저 재할당 됩니다.

이중 연결 리스트의 특성상, smallbin에 청크를 추가하거나 꺼낼 때 연결 고리를 끊는 과정이 필요합니다. 이 과정을 unlink라고 부릅니다. 또한, 메모리상에서 인접한 두 청크가 해제되어 있고, 이들이 smallbin에 들어있으면 이 둘은 병합됩니다. 이 과정을 consolidation이라고 부릅니다.

fastbin

일반적으로 크기가 작은 청크들이 큰 청크들보다 빈번하게 할당되고 해제됩니다. 그래서 작은 청크들의 할당과 해제를 효율적으로 하는 게 전체적인 효율성 측면에서 중요합니다. 이런 이유로 ptmalloc은 어떤 크기를 정해두고, 이보다 작은 청크들은 smallbin이 아니라 fastbin에 저장합니다.

fastbin에는 32 바이트 이상 176 바이트 이하 크기의 청크들이 보관되며, 이에 따라 16바이트 단위로 총 10개의 fastbin이 있습니다. 리눅스는 이 중에서 작은 크기부터 7개의 fastbin만을 사용합니다. 즉, 리눅스에서는 32바이트 이상, 128바이트 이하의 청크들을 fastbin에 저장합니다.

fastbin은 단일 연결리스트이므로 unlink과정을 수행하지 않아도 됩니다. 또한, fastbin은 속도는 빠르지만 다른 방법에 비해 파편화가 심한 LIFO의 방법으로 사용됩니다. 이에 따라 나중에 해제된 청크가 먼저 재할당됩니다. 마지막으로, fastbin에 저장되는 청크들은 서로 병합되지 않습니다.

largebin

largebin은 1024 바이트 이상의 크기를 갖는 청크들이 보관됩니다. 총 63개의 largebin이 있는데, 일정 범위 안의 크기를 갖는 청크들을 모두 보관합니다.

largebin은 범위에 해당하는 모든 청크를 보관하기 때문에, 재할당 요청이 발생했을 때 ptmalloc은 그 안에서 가장 크기가 비슷한 청크(best-fit)를 꺼내 재할당합니다. 이 과정을 빠르게 하기 위해 ptmalloc은 largebin안의 청크를 크기 내림차순으로 정렬합니다. largebin은 이중 연결 리스트이므로 재할당 과정에서 unlink도 동반됩니다. 또한, 연속된 largebin 청크들은 병합의 대상이 됩니다.

unsortedbin

unsortedbin은 분류되지 않은 청크들을 보관하는 bin입니다. unsortedbin은 하나만 존재하며, fastbin에 들어가지 않는 모든 청크들은 해제되었을 때 크기를 구분하지 않고 unsortedbin에 보관됩니다.
unsortedbin은 원형 이중 연결 리스트이며 내부적으로 정렬되지는 않습니다.

smallbin 크기에 해당하는 청크를 할당 요청하면, ptmalloc은 fastbin 또는 smallbin을 탐색한 뒤 unsortedbin을 탐색합니다. largebin의 크기에 해당하는 청크는 unsortedbin을 먼저 탐색합니다. unsortedbin에서 적절한 청크가 발견되면 해당 청크를 꺼내어 사용합니다. 이 과정에서, 탐색된 청크들은 크기에 따라 적절한 bin으로 분류됩니다.

arena

arena는 fastbin, smallbin, largebin 등의 정보를 모두 담고 있는 객체입니다. 멀티 쓰레드 환경에서 ptmalloc은 레이스 컨디션을 막기 위해 arena에 접근할 때 arena에 락을 적용합니다. 그런데 이 방식을 사용하면 레이스 컨디션은 막을 수 있지만, 반대로 병목 현상을 일으킬 수 있습니다.

ptmalloc은 이를 최대한 피하기 위해 최대 64개의 arena를 생성할 수 있게 하고 있습니다. arena에 락이 걸려서 대기해야 하는 경우, 새로운 arena를 생성해서 이를 피할 수 있습니다. 그런데, 생성할 수 있는 갯수가 64개로 제한되어 있으므로 과도한 멀티 쓰레드 환경에서는 결국 병목 현상이 발생합니다. 그래서 GLibc 2.26에서는 tcache를 추가적으로 도입했습니다.

tcache

tcache는 thread local cache의 약자로 각 쓰레드에 독립적으로 할당되는 캐시 저장소를 지칭합니다. tcache는 GLibc 버전 2.26에서 도입되었으며, 멀티 쓰레드 환경에 더욱 최적화된 메모리 관리 메커니즘을 제공합니다.

각 쓰레드는 64개의 tcache를 가지고 있습니다. tcache는 fastbin과 마찬가지로 LIFO 방식으로 사용되는 단일 연결리스트이며, 하나의 tcache는 같은 크기의 청크들만 보관합니다. 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 때문입니다. tcache에 들어간 청크들은 병합되지 않습니다.

tcache에는 32 바이트 이상, 1040 바이트 이하의 크기를 갖는 청크들이 보관됩니다. 이 범위에 속하는 청크들은 할당 및 해제될 때 tcache를 가장 먼저 조회합니다. 청크가 보관될 tcache가 가득찼을 경우에는 적절한 bin으로 분류됩니다.

tcache는 각 쓰레드가 고유하게 갖는 캐시이기 때문에, ptmalloc은 레이스 컨디션을 고려하지 않고 이 캐시에 접근할 수 있습니다. arena의 bin에 접근하기 전에 tcache를 먼저 사용하므로 arena에서 발생할 수 있는 병목 현상을 완화하는 효과가 있습니다.

tcache는 보안 검사가 많이 생략되어 있어서 공격자들에게 힙 익스플로잇의 좋은 도구로 활용되고 있습니다.