malloc中的系统调用brk和mmap

malloc中的系统调用brk和mmap

环境

• ubuntu14.04

• malloc通过系统调用的方式从操作系统申请内存，malloc内部又通过系统调用brk()或mmap来申请内存的。入下图进程虚拟内存布局所示，mmap对应Memory Mapping Segment,brk对应Heap.

brk

• brk通过增加program break的位置（brk）从内核申请（非零值初始化）内存。一开始堆段（heap segment）的其实位置（start_brk）和结束位置（brk）指向同一个位置。

  • 当ASLR(Address Space Layout Randomization)关闭时，start_brk和brk同时指向data/bss段的结束位置（end_data)
  • 当ASLR打开时，start_brk和brk同时指向data/bss段的结束位置（end_data）再加上一个随机的brk偏移。

• 上面的进程虚拟内存布局展示了，start_brk是堆段的开始位置 ，brk（program break）是堆栈的结束位置。

例子

/* sbrk, 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
", getpid());

        /* sbrk(0) 获取当前 program break 位置 */
        tmp_brk = curr_brk = sbrk(0);
        printf("Program Break Location1:%p
", curr_brk);
        getchar();

        /* 使用 brk 增加 program break 位置 */
        brk(curr_brk+4096);

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

        /* 使用 brk 减小 program break 位置 */
        brk(tmp_brk);

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

        return 0;
}

• 在增加program break之前，输出如下：
  

• start_brk=brk=end_data=0x602000

• 在增加program break之后，输入如下：
  

• start_brk=end_data=0x602000,brk=0x603000.

• 可以观察到堆段

00602000-00603000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]

• 00602000-00603000是堆段的虚拟地址范围
• rw-p的标准含义是Read、Write、 NoeXecute、Private
• 00000000 是文件偏移量，由于没有映射任何文件所以为0
• 00：00 是major/minor device number，由于没有映射任何文件所以为0
• 0是inode 也是没有映射任何文件所以为0
• 【heap】是堆段

mmap

• malloc使用mmap创建一个私有匿名的映射段，这个映射段的主要目的是申请一块（零值初始化的）新内存，并且这块内存只能被调用的这个进程独占使用。

/* 使用mmap系统调用做私有匿名映射的例子 */
#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
", msg);
        exit(-1);
}

int main()
{
        int ret = -1;
        printf("Welcome to private anonymous mapping example::PID:%d
", getpid());
        printf("Before mmap
");
        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
");
        getchar();

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

• 调用mmap之前：可以看到，属于libc.so和ld-linux.so共享库的内存映射段。
  

• 调用mmap之后：如下我们可以看到,mmap映射的内存段已经从上图红色框内分配出去（0xe0000-0xbf000=0x21000）.

• 调用munmap之后，如下输出可以看到mmap已经被解除映射了。

• 以上实现ASLR是关闭的sudo sh -c "echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space"
• 原文地址：
• https://sploitfun.wordpress.com/2015/02/11/syscalls-used-by-malloc/
• https://www.pengrl.com/p/20032/