nsz Git - musl/blob - src/malloc/malloc.c

   1 #define _GNU_SOURCE
   2 #include <stdlib.h>
   3 #include <string.h>
   4 #include <limits.h>
   5 #include <stdint.h>
   6 #include <errno.h>
   7 #include <sys/mman.h>
   8 #include "libc.h"
   9 #include "atomic.h"
  10 #include "pthread_impl.h"
  11 #include "malloc_impl.h"
  12
  13 #if defined(__GNUC__) && defined(__PIC__)
  14 #define inline inline __attribute__((always_inline))
  15 #endif
  16
  17 static struct {
  18         volatile uint64_t binmap;
  19         struct bin bins[64];
  20         volatile int free_lock[2];
  21 } mal;
  22
  23 /* Synchronization tools */
  24
  25 static inline void lock(volatile int *lk)
  26 {
  27         if (libc.threads_minus_1)
  28                 while(a_swap(lk, 1)) __wait(lk, lk+1, 1, 1);
  29 }
  30
  31 static inline void unlock(volatile int *lk)
  32 {
  33         if (lk[0]) {
  34                 a_store(lk, 0);
  35                 if (lk[1]) __wake(lk, 1, 1);
  36         }
  37 }
  38
  39 static inline void lock_bin(int i)
  40 {
  41         lock(mal.bins[i].lock);
  42         if (!mal.bins[i].head)
  43                 mal.bins[i].head = mal.bins[i].tail = BIN_TO_CHUNK(i);
  44 }
  45
  46 static inline void unlock_bin(int i)
  47 {
  48         unlock(mal.bins[i].lock);
  49 }
  50
  51 static int first_set(uint64_t x)
  52 {
  53 #if 1
  54         return a_ctz_64(x);
  55 #else
  56         static const char debruijn64[64] = {
  57                 0, 1, 2, 53, 3, 7, 54, 27, 4, 38, 41, 8, 34, 55, 48, 28,
  58                 62, 5, 39, 46, 44, 42, 22, 9, 24, 35, 59, 56, 49, 18, 29, 11,
  59                 63, 52, 6, 26, 37, 40, 33, 47, 61, 45, 43, 21, 23, 58, 17, 10,
  60                 51, 25, 36, 32, 60, 20, 57, 16, 50, 31, 19, 15, 30, 14, 13, 12
  61         };
  62         static const char debruijn32[32] = {
  63                 0, 1, 23, 2, 29, 24, 19, 3, 30, 27, 25, 11, 20, 8, 4, 13,
  64                 31, 22, 28, 18, 26, 10, 7, 12, 21, 17, 9, 6, 16, 5, 15, 14
  65         };
  66         if (sizeof(long) < 8) {
  67                 uint32_t y = x;
  68                 if (!y) {
  69                         y = x>>32;
  70                         return 32 + debruijn32[(y&-y)*0x076be629 >> 27];
  71                 }
  72                 return debruijn32[(y&-y)*0x076be629 >> 27];
  73         }
  74         return debruijn64[(x&-x)*0x022fdd63cc95386dull >> 58];
  75 #endif
  76 }
  77
  78 static const unsigned char bin_tab[60] = {
  79                     32,33,34,35,36,36,37,37,38,38,39,39,
  80         40,40,40,40,41,41,41,41,42,42,42,42,43,43,43,43,
  81         44,44,44,44,44,44,44,44,45,45,45,45,45,45,45,45,
  82         46,46,46,46,46,46,46,46,47,47,47,47,47,47,47,47,
  83 };
  84
  85 static int bin_index(size_t x)
  86 {
  87         x = x / SIZE_ALIGN - 1;
  88         if (x <= 32) return x;
  89         if (x < 512) return bin_tab[x/8-4];
  90         if (x > 0x1c00) return 63;
  91         return bin_tab[x/128-4] + 16;
  92 }
  93
  94 static int bin_index_up(size_t x)
  95 {
  96         x = x / SIZE_ALIGN - 1;
  97         if (x <= 32) return x;
  98         x--;
  99         if (x < 512) return bin_tab[x/8-4] + 1;
 100         return bin_tab[x/128-4] + 17;
 101 }
 102
 103 #if 0
 104 void __dump_heap(int x)
 105 {
 106         struct chunk *c;
 107         int i;
 108         for (c = (void *)mal.heap; CHUNK_SIZE(c); c = NEXT_CHUNK(c))
 109                 fprintf(stderr, "base %p size %zu (%d) flags %d/%d\n",
 110                         c, CHUNK_SIZE(c), bin_index(CHUNK_SIZE(c)),
 111                         c->csize & 15,
 112                         NEXT_CHUNK(c)->psize & 15);
 113         for (i=0; i<64; i++) {
 114                 if (mal.bins[i].head != BIN_TO_CHUNK(i) && mal.bins[i].head) {
 115                         fprintf(stderr, "bin %d: %p\n", i, mal.bins[i].head);
 116                         if (!(mal.binmap & 1ULL<<i))
 117                                 fprintf(stderr, "missing from binmap!\n");
 118                 } else if (mal.binmap & 1ULL<<i)
 119                         fprintf(stderr, "binmap wrongly contains %d!\n", i);
 120         }
 121 }
 122 #endif
 123
 124 void *__expand_heap(size_t *);
 125
 126 static struct chunk *expand_heap(size_t n)
 127 {
 128         static int heap_lock[2];
 129         static void *end;
 130         void *p;
 131         struct chunk *w;
 132
 133         /* The argument n already accounts for the caller's chunk
 134          * overhead needs, but if the heap can't be extended in-place,
 135          * we need room for an extra zero-sized sentinel chunk. */
 136         n += SIZE_ALIGN;
 137
 138         lock(heap_lock);
 139
 140         p = __expand_heap(&n);
 141         if (!p) {
 142                 unlock(heap_lock);
 143                 return 0;
 144         }
 145
 146         /* If not just expanding existing space, we need to make a
 147          * new sentinel chunk below the allocated space. */
 148         if (p != end) {
 149                 /* Valid/safe because of the prologue increment. */
 150                 n -= SIZE_ALIGN;
 151                 p = (char *)p + SIZE_ALIGN;
 152                 w = MEM_TO_CHUNK(p);
 153                 w->psize = 0 | C_INUSE;
 154         }
 155
 156         /* Record new heap end and fill in footer. */
 157         end = (char *)p + n;
 158         w = MEM_TO_CHUNK(end);
 159         w->psize = n | C_INUSE;
 160         w->csize = 0 | C_INUSE;
 161
 162         /* Fill in header, which may be new or may be replacing a
 163          * zero-size sentinel header at the old end-of-heap. */
 164         w = MEM_TO_CHUNK(p);
 165         w->csize = n | C_INUSE;
 166
 167         unlock(heap_lock);
 168
 169         return w;
 170 }
 171
 172 static int adjust_size(size_t *n)
 173 {
 174         /* Result of pointer difference must fit in ptrdiff_t. */
 175         if (*n-1 > PTRDIFF_MAX - SIZE_ALIGN - PAGE_SIZE) {
 176                 if (*n) {
 177                         errno = ENOMEM;
 178                         return -1;
 179                 } else {
 180                         *n = SIZE_ALIGN;
 181                         return 0;
 182                 }
 183         }
 184         *n = (*n + OVERHEAD + SIZE_ALIGN - 1) & SIZE_MASK;
 185         return 0;
 186 }
 187
 188 static void unbin(struct chunk *c, int i)
 189 {
 190         if (c->prev == c->next)
 191                 a_and_64(&mal.binmap, ~(1ULL<<i));
 192         c->prev->next = c->next;
 193         c->next->prev = c->prev;
 194         c->csize |= C_INUSE;
 195         NEXT_CHUNK(c)->psize |= C_INUSE;
 196 }
 197
 198 static int alloc_fwd(struct chunk *c)
 199 {
 200         int i;
 201         size_t k;
 202         while (!((k=c->csize) & C_INUSE)) {
 203                 i = bin_index(k);
 204                 lock_bin(i);
 205                 if (c->csize == k) {
 206                         unbin(c, i);
 207                         unlock_bin(i);
 208                         return 1;
 209                 }
 210                 unlock_bin(i);
 211         }
 212         return 0;
 213 }
 214
 215 static int alloc_rev(struct chunk *c)
 216 {
 217         int i;
 218         size_t k;
 219         while (!((k=c->psize) & C_INUSE)) {
 220                 i = bin_index(k);
 221                 lock_bin(i);
 222                 if (c->psize == k) {
 223                         unbin(PREV_CHUNK(c), i);
 224                         unlock_bin(i);
 225                         return 1;
 226                 }
 227                 unlock_bin(i);
 228         }
 229         return 0;
 230 }
 231
 232
 233 /* pretrim - trims a chunk _prior_ to removing it from its bin.
 234  * Must be called with i as the ideal bin for size n, j the bin
 235  * for the _free_ chunk self, and bin j locked. */
 236 static int pretrim(struct chunk *self, size_t n, int i, int j)
 237 {
 238         size_t n1;
 239         struct chunk *next, *split;
 240
 241         /* We cannot pretrim if it would require re-binning. */
 242         if (j < 40) return 0;
 243         if (j < i+3) {
 244                 if (j != 63) return 0;
 245                 n1 = CHUNK_SIZE(self);
 246                 if (n1-n <= MMAP_THRESHOLD) return 0;
 247         } else {
 248                 n1 = CHUNK_SIZE(self);
 249         }
 250         if (bin_index(n1-n) != j) return 0;
 251
 252         next = NEXT_CHUNK(self);
 253         split = (void *)((char *)self + n);
 254
 255         split->prev = self->prev;
 256         split->next = self->next;
 257         split->prev->next = split;
 258         split->next->prev = split;
 259         split->psize = n | C_INUSE;
 260         split->csize = n1-n;
 261         next->psize = n1-n;
 262         self->csize = n | C_INUSE;
 263         return 1;
 264 }
 265
 266 static void bin_chunk(struct chunk *);
 267
 268 static void trim(struct chunk *self, size_t n)
 269 {
 270         size_t n1 = CHUNK_SIZE(self);
 271         struct chunk *next, *split;
 272
 273         if (n >= n1 - DONTCARE) return;
 274
 275         next = NEXT_CHUNK(self);
 276         split = (void *)((char *)self + n);
 277
 278         split->psize = n | C_INUSE;
 279         split->csize = n1-n | C_INUSE;
 280         next->psize = n1-n | C_INUSE;
 281         self->csize = n | C_INUSE;
 282
 283         bin_chunk(split);
 284 }
 285
 286 void *malloc(size_t n)
 287 {
 288         struct chunk *c;
 289         int i, j;
 290
 291         if (adjust_size(&n) < 0) return 0;
 292
 293         if (n > MMAP_THRESHOLD) {
 294                 size_t len = n + OVERHEAD + PAGE_SIZE - 1 & -PAGE_SIZE;
 295                 char *base = __mmap(0, len, PROT_READ|PROT_WRITE,
 296                         MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
 297                 if (base == (void *)-1) return 0;
 298                 c = (void *)(base + SIZE_ALIGN - OVERHEAD);
 299                 c->csize = len - (SIZE_ALIGN - OVERHEAD);
 300                 c->psize = SIZE_ALIGN - OVERHEAD;
 301                 return CHUNK_TO_MEM(c);
 302         }
 303
 304         i = bin_index_up(n);
 305         for (;;) {
 306                 uint64_t mask = mal.binmap & -(1ULL<<i);
 307                 if (!mask) {
 308                         c = expand_heap(n);
 309                         if (!c) return 0;
 310                         if (alloc_rev(c)) {
 311                                 struct chunk *x = c;
 312                                 c = PREV_CHUNK(c);
 313                                 NEXT_CHUNK(x)->psize = c->csize =
 314                                         x->csize + CHUNK_SIZE(c);
 315                         }
 316                         break;
 317                 }
 318                 j = first_set(mask);
 319                 lock_bin(j);
 320                 c = mal.bins[j].head;
 321                 if (c != BIN_TO_CHUNK(j)) {
 322                         if (!pretrim(c, n, i, j)) unbin(c, j);
 323                         unlock_bin(j);
 324                         break;
 325                 }
 326                 unlock_bin(j);
 327         }
 328
 329         /* Now patch up in case we over-allocated */
 330         trim(c, n);
 331
 332         return CHUNK_TO_MEM(c);
 333 }
 334
 335 static size_t mal0_clear(char *p, size_t pagesz, size_t n)
 336 {
 337 #ifdef __GNUC__
 338         typedef uint64_t __attribute__((__may_alias__)) T;
 339 #else
 340         typedef unsigned char T;
 341 #endif
 342         char *pp = p + n;
 343         size_t i = (uintptr_t)pp & (pagesz - 1);
 344         for (;;) {
 345                 pp = memset(pp - i, 0, i);
 346                 if (pp - p < pagesz) return pp - p;
 347                 for (i = pagesz; i; i -= 2*sizeof(T), pp -= 2*sizeof(T))
 348                         if (((T *)pp)[-1] | ((T *)pp)[-2])
 349                                 break;
 350         }
 351 }
 352
 353 void *calloc(size_t m, size_t n)
 354 {
 355         if (n && m > (size_t)-1/n) {
 356                 errno = ENOMEM;
 357                 return 0;
 358         }
 359         n *= m;
 360         void *p = malloc(n);
 361         if (!p || IS_MMAPPED(MEM_TO_CHUNK(p)))
 362                 return p;
 363         if (n >= PAGE_SIZE)
 364                 n = mal0_clear(p, PAGE_SIZE, n);
 365         return memset(p, 0, n);
 366 }
 367
 368 void *realloc(void *p, size_t n)
 369 {
 370         struct chunk *self, *next;
 371         size_t n0, n1;
 372         void *new;
 373
 374         if (!p) return malloc(n);
 375
 376         if (adjust_size(&n) < 0) return 0;
 377
 378         self = MEM_TO_CHUNK(p);
 379         n1 = n0 = CHUNK_SIZE(self);
 380
 381         if (IS_MMAPPED(self)) {
 382                 size_t extra = self->psize;
 383                 char *base = (char *)self - extra;
 384                 size_t oldlen = n0 + extra;
 385                 size_t newlen = n + extra;
 386                 /* Crash on realloc of freed chunk */
 387                 if (extra & 1) a_crash();
 388                 if (newlen < PAGE_SIZE && (new = malloc(n-OVERHEAD))) {
 389                         n0 = n;
 390                         goto copy_free_ret;
 391                 }
 392                 newlen = (newlen + PAGE_SIZE-1) & -PAGE_SIZE;
 393                 if (oldlen == newlen) return p;
 394                 base = __mremap(base, oldlen, newlen, MREMAP_MAYMOVE);
 395                 if (base == (void *)-1)
 396                         goto copy_realloc;
 397                 self = (void *)(base + extra);
 398                 self->csize = newlen - extra;
 399                 return CHUNK_TO_MEM(self);
 400         }
 401
 402         next = NEXT_CHUNK(self);
 403
 404         /* Crash on corrupted footer (likely from buffer overflow) */
 405         if (next->psize != self->csize) a_crash();
 406
 407         /* Merge adjacent chunks if we need more space. This is not
 408          * a waste of time even if we fail to get enough space, because our
 409          * subsequent call to free would otherwise have to do the merge. */
 410         if (n > n1 && alloc_fwd(next)) {
 411                 n1 += CHUNK_SIZE(next);
 412                 next = NEXT_CHUNK(next);
 413         }
 414         /* FIXME: find what's wrong here and reenable it..? */
 415         if (0 && n > n1 && alloc_rev(self)) {
 416                 self = PREV_CHUNK(self);
 417                 n1 += CHUNK_SIZE(self);
 418         }
 419         self->csize = n1 | C_INUSE;
 420         next->psize = n1 | C_INUSE;
 421
 422         /* If we got enough space, split off the excess and return */
 423         if (n <= n1) {
 424                 //memmove(CHUNK_TO_MEM(self), p, n0-OVERHEAD);
 425                 trim(self, n);
 426                 return CHUNK_TO_MEM(self);
 427         }
 428
 429 copy_realloc:
 430         /* As a last resort, allocate a new chunk and copy to it. */
 431         new = malloc(n-OVERHEAD);
 432         if (!new) return 0;
 433 copy_free_ret:
 434         memcpy(new, p, n0-OVERHEAD);
 435         free(CHUNK_TO_MEM(self));
 436         return new;
 437 }
 438
 439 static void bin_chunk(struct chunk *self)
 440 {
 441         struct chunk *next = NEXT_CHUNK(self);
 442         size_t final_size, new_size, size;
 443         int reclaim=0;
 444         int i;
 445
 446         final_size = new_size = CHUNK_SIZE(self);
 447
 448         /* Crash on corrupted footer (likely from buffer overflow) */
 449         if (next->psize != self->csize) a_crash();
 450
 451         for (;;) {
 452                 if (self->psize & next->csize & C_INUSE) {
 453                         self->csize = final_size | C_INUSE;
 454                         next->psize = final_size | C_INUSE;
 455                         i = bin_index(final_size);
 456                         lock_bin(i);
 457                         lock(mal.free_lock);
 458                         if (self->psize & next->csize & C_INUSE)
 459                                 break;
 460                         unlock(mal.free_lock);
 461                         unlock_bin(i);
 462                 }
 463
 464                 if (alloc_rev(self)) {
 465                         self = PREV_CHUNK(self);
 466                         size = CHUNK_SIZE(self);
 467                         final_size += size;
 468                         if (new_size+size > RECLAIM && (new_size+size^size) > size)
 469                                 reclaim = 1;
 470                 }
 471
 472                 if (alloc_fwd(next)) {
 473                         size = CHUNK_SIZE(next);
 474                         final_size += size;
 475                         if (new_size+size > RECLAIM && (new_size+size^size) > size)
 476                                 reclaim = 1;
 477                         next = NEXT_CHUNK(next);
 478                 }
 479         }
 480
 481         if (!(mal.binmap & 1ULL<<i))
 482                 a_or_64(&mal.binmap, 1ULL<<i);
 483
 484         self->csize = final_size;
 485         next->psize = final_size;
 486         unlock(mal.free_lock);
 487
 488         self->next = BIN_TO_CHUNK(i);
 489         self->prev = mal.bins[i].tail;
 490         self->next->prev = self;
 491         self->prev->next = self;
 492
 493         /* Replace middle of large chunks with fresh zero pages */
 494         if (reclaim) {
 495                 uintptr_t a = (uintptr_t)self + SIZE_ALIGN+PAGE_SIZE-1 & -PAGE_SIZE;
 496                 uintptr_t b = (uintptr_t)next - SIZE_ALIGN & -PAGE_SIZE;
 497 #if 1
 498                 __madvise((void *)a, b-a, MADV_DONTNEED);
 499 #else
 500                 __mmap((void *)a, b-a, PROT_READ|PROT_WRITE,
 501                         MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS|MAP_FIXED, -1, 0);
 502 #endif
 503         }
 504
 505         unlock_bin(i);
 506 }
 507
 508 static void unmap_chunk(struct chunk *self)
 509 {
 510         size_t extra = self->psize;
 511         char *base = (char *)self - extra;
 512         size_t len = CHUNK_SIZE(self) + extra;
 513         /* Crash on double free */
 514         if (extra & 1) a_crash();
 515         __munmap(base, len);
 516 }
 517
 518 void free(void *p)
 519 {
 520         if (!p) return;
 521
 522         struct chunk *self = MEM_TO_CHUNK(p);
 523
 524         if (IS_MMAPPED(self))
 525                 unmap_chunk(self);
 526         else
 527                 bin_chunk(self);
 528 }
 529
 530 void __malloc_donate(char *start, char *end)
 531 {
 532         size_t align_start_up = (SIZE_ALIGN-1) & (-(uintptr_t)start - OVERHEAD);
 533         size_t align_end_down = (SIZE_ALIGN-1) & (uintptr_t)end;
 534
 535         /* Getting past this condition ensures that the padding for alignment
 536          * and header overhead will not overflow and will leave a nonzero
 537          * multiple of SIZE_ALIGN bytes between start and end. */
 538         if (end - start <= OVERHEAD + align_start_up + align_end_down)
 539                 return;
 540         start += align_start_up + OVERHEAD;
 541         end   -= align_end_down;
 542
 543         struct chunk *c = MEM_TO_CHUNK(start), *n = MEM_TO_CHUNK(end);
 544         c->psize = n->csize = C_INUSE;
 545         c->csize = n->psize = C_INUSE | (end-start);
 546         bin_chunk(c);
 547 }