nsz Git - musl/blob - src/malloc/oldmalloc/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 #include "fork_impl.h"
  13
  14 #define malloc __libc_malloc
  15 #define realloc __libc_realloc
  16 #define free __libc_free
  17
  18 #if defined(__GNUC__) && defined(__PIC__)
  19 #define inline inline __attribute__((always_inline))
  20 #endif
  21
  22 static struct {
  23         volatile uint64_t binmap;
  24         struct bin bins[64];
  25         volatile int split_merge_lock[2];
  26 } mal;
  27
  28 /* Synchronization tools */
  29
  30 static inline void lock(volatile int *lk)
  31 {
  32         int need_locks = libc.need_locks;
  33         if (need_locks) {
  34                 while(a_swap(lk, 1)) __wait(lk, lk+1, 1, 1);
  35                 if (need_locks < 0) libc.need_locks = 0;
  36         }
  37 }
  38
  39 static inline void unlock(volatile int *lk)
  40 {
  41         if (lk[0]) {
  42                 a_store(lk, 0);
  43                 if (lk[1]) __wake(lk, 1, 1);
  44         }
  45 }
  46
  47 static inline void lock_bin(int i)
  48 {
  49         lock(mal.bins[i].lock);
  50         if (!mal.bins[i].head)
  51                 mal.bins[i].head = mal.bins[i].tail = BIN_TO_CHUNK(i);
  52 }
  53
  54 static inline void unlock_bin(int i)
  55 {
  56         unlock(mal.bins[i].lock);
  57 }
  58
  59 static int first_set(uint64_t x)
  60 {
  61 #if 1
  62         return a_ctz_64(x);
  63 #else
  64         static const char debruijn64[64] = {
  65                 0, 1, 2, 53, 3, 7, 54, 27, 4, 38, 41, 8, 34, 55, 48, 28,
  66                 62, 5, 39, 46, 44, 42, 22, 9, 24, 35, 59, 56, 49, 18, 29, 11,
  67                 63, 52, 6, 26, 37, 40, 33, 47, 61, 45, 43, 21, 23, 58, 17, 10,
  68                 51, 25, 36, 32, 60, 20, 57, 16, 50, 31, 19, 15, 30, 14, 13, 12
  69         };
  70         static const char debruijn32[32] = {
  71                 0, 1, 23, 2, 29, 24, 19, 3, 30, 27, 25, 11, 20, 8, 4, 13,
  72                 31, 22, 28, 18, 26, 10, 7, 12, 21, 17, 9, 6, 16, 5, 15, 14
  73         };
  74         if (sizeof(long) < 8) {
  75                 uint32_t y = x;
  76                 if (!y) {
  77                         y = x>>32;
  78                         return 32 + debruijn32[(y&-y)*0x076be629 >> 27];
  79                 }
  80                 return debruijn32[(y&-y)*0x076be629 >> 27];
  81         }
  82         return debruijn64[(x&-x)*0x022fdd63cc95386dull >> 58];
  83 #endif
  84 }
  85
  86 static const unsigned char bin_tab[60] = {
  87                     32,33,34,35,36,36,37,37,38,38,39,39,
  88         40,40,40,40,41,41,41,41,42,42,42,42,43,43,43,43,
  89         44,44,44,44,44,44,44,44,45,45,45,45,45,45,45,45,
  90         46,46,46,46,46,46,46,46,47,47,47,47,47,47,47,47,
  91 };
  92
  93 static int bin_index(size_t x)
  94 {
  95         x = x / SIZE_ALIGN - 1;
  96         if (x <= 32) return x;
  97         if (x < 512) return bin_tab[x/8-4];
  98         if (x > 0x1c00) return 63;
  99         return bin_tab[x/128-4] + 16;
 100 }
 101
 102 static int bin_index_up(size_t x)
 103 {
 104         x = x / SIZE_ALIGN - 1;
 105         if (x <= 32) return x;
 106         x--;
 107         if (x < 512) return bin_tab[x/8-4] + 1;
 108         return bin_tab[x/128-4] + 17;
 109 }
 110
 111 #if 0
 112 void __dump_heap(int x)
 113 {
 114         struct chunk *c;
 115         int i;
 116         for (c = (void *)mal.heap; CHUNK_SIZE(c); c = NEXT_CHUNK(c))
 117                 fprintf(stderr, "base %p size %zu (%d) flags %d/%d\n",
 118                         c, CHUNK_SIZE(c), bin_index(CHUNK_SIZE(c)),
 119                         c->csize & 15,
 120                         NEXT_CHUNK(c)->psize & 15);
 121         for (i=0; i<64; i++) {
 122                 if (mal.bins[i].head != BIN_TO_CHUNK(i) && mal.bins[i].head) {
 123                         fprintf(stderr, "bin %d: %p\n", i, mal.bins[i].head);
 124                         if (!(mal.binmap & 1ULL<<i))
 125                                 fprintf(stderr, "missing from binmap!\n");
 126                 } else if (mal.binmap & 1ULL<<i)
 127                         fprintf(stderr, "binmap wrongly contains %d!\n", i);
 128         }
 129 }
 130 #endif
 131
 132 /* This function returns true if the interval [old,new]
 133  * intersects the 'len'-sized interval below &libc.auxv
 134  * (interpreted as the main-thread stack) or below &b
 135  * (the current stack). It is used to defend against
 136  * buggy brk implementations that can cross the stack. */
 137
 138 static int traverses_stack_p(uintptr_t old, uintptr_t new)
 139 {
 140         const uintptr_t len = 8<<20;
 141         uintptr_t a, b;
 142
 143         b = (uintptr_t)libc.auxv;
 144         a = b > len ? b-len : 0;
 145         if (new>a && old<b) return 1;
 146
 147         b = (uintptr_t)&b;
 148         a = b > len ? b-len : 0;
 149         if (new>a && old<b) return 1;
 150
 151         return 0;
 152 }
 153
 154 /* Expand the heap in-place if brk can be used, or otherwise via mmap,
 155  * using an exponential lower bound on growth by mmap to make
 156  * fragmentation asymptotically irrelevant. The size argument is both
 157  * an input and an output, since the caller needs to know the size
 158  * allocated, which will be larger than requested due to page alignment
 159  * and mmap minimum size rules. The caller is responsible for locking
 160  * to prevent concurrent calls. */
 161
 162 static void *__expand_heap(size_t *pn)
 163 {
 164         static uintptr_t brk;
 165         static unsigned mmap_step;
 166         size_t n = *pn;
 167
 168         if (n > SIZE_MAX/2 - PAGE_SIZE) {
 169                 errno = ENOMEM;
 170                 return 0;
 171         }
 172         n += -n & PAGE_SIZE-1;
 173
 174         if (!brk) {
 175                 brk = __syscall(SYS_brk, 0);
 176                 brk += -brk & PAGE_SIZE-1;
 177         }
 178
 179         if (n < SIZE_MAX-brk && !traverses_stack_p(brk, brk+n)
 180             && __syscall(SYS_brk, brk+n)==brk+n) {
 181                 *pn = n;
 182                 brk += n;
 183                 return (void *)(brk-n);
 184         }
 185
 186         size_t min = (size_t)PAGE_SIZE << mmap_step/2;
 187         if (n < min) n = min;
 188         void *area = __mmap(0, n, PROT_READ|PROT_WRITE,
 189                 MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
 190         if (area == MAP_FAILED) return 0;
 191         *pn = n;
 192         mmap_step++;
 193         return area;
 194 }
 195
 196 static struct chunk *expand_heap(size_t n)
 197 {
 198         static void *end;
 199         void *p;
 200         struct chunk *w;
 201
 202         /* The argument n already accounts for the caller's chunk
 203          * overhead needs, but if the heap can't be extended in-place,
 204          * we need room for an extra zero-sized sentinel chunk. */
 205         n += SIZE_ALIGN;
 206
 207         p = __expand_heap(&n);
 208         if (!p) return 0;
 209
 210         /* If not just expanding existing space, we need to make a
 211          * new sentinel chunk below the allocated space. */
 212         if (p != end) {
 213                 /* Valid/safe because of the prologue increment. */
 214                 n -= SIZE_ALIGN;
 215                 p = (char *)p + SIZE_ALIGN;
 216                 w = MEM_TO_CHUNK(p);
 217                 w->psize = 0 | C_INUSE;
 218         }
 219
 220         /* Record new heap end and fill in footer. */
 221         end = (char *)p + n;
 222         w = MEM_TO_CHUNK(end);
 223         w->psize = n | C_INUSE;
 224         w->csize = 0 | C_INUSE;
 225
 226         /* Fill in header, which may be new or may be replacing a
 227          * zero-size sentinel header at the old end-of-heap. */
 228         w = MEM_TO_CHUNK(p);
 229         w->csize = n | C_INUSE;
 230
 231         return w;
 232 }
 233
 234 static int adjust_size(size_t *n)
 235 {
 236         /* Result of pointer difference must fit in ptrdiff_t. */
 237         if (*n-1 > PTRDIFF_MAX - SIZE_ALIGN - PAGE_SIZE) {
 238                 if (*n) {
 239                         errno = ENOMEM;
 240                         return -1;
 241                 } else {
 242                         *n = SIZE_ALIGN;
 243                         return 0;
 244                 }
 245         }
 246         *n = (*n + OVERHEAD + SIZE_ALIGN - 1) & SIZE_MASK;
 247         return 0;
 248 }
 249
 250 static void unbin(struct chunk *c, int i)
 251 {
 252         if (c->prev == c->next)
 253                 a_and_64(&mal.binmap, ~(1ULL<<i));
 254         c->prev->next = c->next;
 255         c->next->prev = c->prev;
 256         c->csize |= C_INUSE;
 257         NEXT_CHUNK(c)->psize |= C_INUSE;
 258 }
 259
 260 static void bin_chunk(struct chunk *self, int i)
 261 {
 262         self->next = BIN_TO_CHUNK(i);
 263         self->prev = mal.bins[i].tail;
 264         self->next->prev = self;
 265         self->prev->next = self;
 266         if (self->prev == BIN_TO_CHUNK(i))
 267                 a_or_64(&mal.binmap, 1ULL<<i);
 268 }
 269
 270 static void trim(struct chunk *self, size_t n)
 271 {
 272         size_t n1 = CHUNK_SIZE(self);
 273         struct chunk *next, *split;
 274
 275         if (n >= n1 - DONTCARE) return;
 276
 277         next = NEXT_CHUNK(self);
 278         split = (void *)((char *)self + n);
 279
 280         split->psize = n | C_INUSE;
 281         split->csize = n1-n;
 282         next->psize = n1-n;
 283         self->csize = n | C_INUSE;
 284
 285         int i = bin_index(n1-n);
 286         lock_bin(i);
 287
 288         bin_chunk(split, i);
 289
 290         unlock_bin(i);
 291 }
 292
 293 void *malloc(size_t n)
 294 {
 295         struct chunk *c;
 296         int i, j;
 297         uint64_t mask;
 298
 299         if (adjust_size(&n) < 0) return 0;
 300
 301         if (n > MMAP_THRESHOLD) {
 302                 size_t len = n + OVERHEAD + PAGE_SIZE - 1 & -PAGE_SIZE;
 303                 char *base = __mmap(0, len, PROT_READ|PROT_WRITE,
 304                         MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
 305                 if (base == (void *)-1) return 0;
 306                 c = (void *)(base + SIZE_ALIGN - OVERHEAD);
 307                 c->csize = len - (SIZE_ALIGN - OVERHEAD);
 308                 c->psize = SIZE_ALIGN - OVERHEAD;
 309                 return CHUNK_TO_MEM(c);
 310         }
 311
 312         i = bin_index_up(n);
 313         if (i<63 && (mal.binmap & (1ULL<<i))) {
 314                 lock_bin(i);
 315                 c = mal.bins[i].head;
 316                 if (c != BIN_TO_CHUNK(i) && CHUNK_SIZE(c)-n <= DONTCARE) {
 317                         unbin(c, i);
 318                         unlock_bin(i);
 319                         return CHUNK_TO_MEM(c);
 320                 }
 321                 unlock_bin(i);
 322         }
 323         lock(mal.split_merge_lock);
 324         for (mask = mal.binmap & -(1ULL<<i); mask; mask -= (mask&-mask)) {
 325                 j = first_set(mask);
 326                 lock_bin(j);
 327                 c = mal.bins[j].head;
 328                 if (c != BIN_TO_CHUNK(j)) {
 329                         unbin(c, j);
 330                         unlock_bin(j);
 331                         break;
 332                 }
 333                 unlock_bin(j);
 334         }
 335         if (!mask) {
 336                 c = expand_heap(n);
 337                 if (!c) {
 338                         unlock(mal.split_merge_lock);
 339                         return 0;
 340                 }
 341         }
 342         trim(c, n);
 343         unlock(mal.split_merge_lock);
 344         return CHUNK_TO_MEM(c);
 345 }
 346
 347 int __malloc_allzerop(void *p)
 348 {
 349         return IS_MMAPPED(MEM_TO_CHUNK(p));
 350 }
 351
 352 void *realloc(void *p, size_t n)
 353 {
 354         struct chunk *self, *next;
 355         size_t n0, n1;
 356         void *new;
 357
 358         if (!p) return malloc(n);
 359
 360         if (adjust_size(&n) < 0) return 0;
 361
 362         self = MEM_TO_CHUNK(p);
 363         n1 = n0 = CHUNK_SIZE(self);
 364
 365         if (n<=n0 && n0-n<=DONTCARE) return p;
 366
 367         if (IS_MMAPPED(self)) {
 368                 size_t extra = self->psize;
 369                 char *base = (char *)self - extra;
 370                 size_t oldlen = n0 + extra;
 371                 size_t newlen = n + extra;
 372                 /* Crash on realloc of freed chunk */
 373                 if (extra & 1) a_crash();
 374                 if (newlen < PAGE_SIZE && (new = malloc(n-OVERHEAD))) {
 375                         n0 = n;
 376                         goto copy_free_ret;
 377                 }
 378                 newlen = (newlen + PAGE_SIZE-1) & -PAGE_SIZE;
 379                 if (oldlen == newlen) return p;
 380                 base = __mremap(base, oldlen, newlen, MREMAP_MAYMOVE);
 381                 if (base == (void *)-1)
 382                         goto copy_realloc;
 383                 self = (void *)(base + extra);
 384                 self->csize = newlen - extra;
 385                 return CHUNK_TO_MEM(self);
 386         }
 387
 388         next = NEXT_CHUNK(self);
 389
 390         /* Crash on corrupted footer (likely from buffer overflow) */
 391         if (next->psize != self->csize) a_crash();
 392
 393         if (n < n0) {
 394                 int i = bin_index_up(n);
 395                 int j = bin_index(n0);
 396                 if (i<j && (mal.binmap & (1ULL << i)))
 397                         goto copy_realloc;
 398                 struct chunk *split = (void *)((char *)self + n);
 399                 self->csize = split->psize = n | C_INUSE;
 400                 split->csize = next->psize = n0-n | C_INUSE;
 401                 __bin_chunk(split);
 402                 return CHUNK_TO_MEM(self);
 403         }
 404
 405         lock(mal.split_merge_lock);
 406
 407         size_t nsize = next->csize & C_INUSE ? 0 : CHUNK_SIZE(next);
 408         if (n0+nsize >= n) {
 409                 int i = bin_index(nsize);
 410                 lock_bin(i);
 411                 if (!(next->csize & C_INUSE)) {
 412                         unbin(next, i);
 413                         unlock_bin(i);
 414                         next = NEXT_CHUNK(next);
 415                         self->csize = next->psize = n0+nsize | C_INUSE;
 416                         trim(self, n);
 417                         unlock(mal.split_merge_lock);
 418                         return CHUNK_TO_MEM(self);
 419                 }
 420                 unlock_bin(i);
 421         }
 422         unlock(mal.split_merge_lock);
 423
 424 copy_realloc:
 425         /* As a last resort, allocate a new chunk and copy to it. */
 426         new = malloc(n-OVERHEAD);
 427         if (!new) return 0;
 428 copy_free_ret:
 429         memcpy(new, p, (n<n0 ? n : n0) - OVERHEAD);
 430         free(CHUNK_TO_MEM(self));
 431         return new;
 432 }
 433
 434 void __bin_chunk(struct chunk *self)
 435 {
 436         struct chunk *next = NEXT_CHUNK(self);
 437
 438         /* Crash on corrupted footer (likely from buffer overflow) */
 439         if (next->psize != self->csize) a_crash();
 440
 441         lock(mal.split_merge_lock);
 442
 443         size_t osize = CHUNK_SIZE(self), size = osize;
 444
 445         /* Since we hold split_merge_lock, only transition from free to
 446          * in-use can race; in-use to free is impossible */
 447         size_t psize = self->psize & C_INUSE ? 0 : CHUNK_PSIZE(self);
 448         size_t nsize = next->csize & C_INUSE ? 0 : CHUNK_SIZE(next);
 449
 450         if (psize) {
 451                 int i = bin_index(psize);
 452                 lock_bin(i);
 453                 if (!(self->psize & C_INUSE)) {
 454                         struct chunk *prev = PREV_CHUNK(self);
 455                         unbin(prev, i);
 456                         self = prev;
 457                         size += psize;
 458                 }
 459                 unlock_bin(i);
 460         }
 461         if (nsize) {
 462                 int i = bin_index(nsize);
 463                 lock_bin(i);
 464                 if (!(next->csize & C_INUSE)) {
 465                         unbin(next, i);
 466                         next = NEXT_CHUNK(next);
 467                         size += nsize;
 468                 }
 469                 unlock_bin(i);
 470         }
 471
 472         int i = bin_index(size);
 473         lock_bin(i);
 474
 475         self->csize = size;
 476         next->psize = size;
 477         bin_chunk(self, i);
 478         unlock(mal.split_merge_lock);
 479
 480         /* Replace middle of large chunks with fresh zero pages */
 481         if (size > RECLAIM && (size^(size-osize)) > size-osize) {
 482                 uintptr_t a = (uintptr_t)self + SIZE_ALIGN+PAGE_SIZE-1 & -PAGE_SIZE;
 483                 uintptr_t b = (uintptr_t)next - SIZE_ALIGN & -PAGE_SIZE;
 484 #if 1
 485                 __madvise((void *)a, b-a, MADV_DONTNEED);
 486 #else
 487                 __mmap((void *)a, b-a, PROT_READ|PROT_WRITE,
 488                         MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS|MAP_FIXED, -1, 0);
 489 #endif
 490         }
 491
 492         unlock_bin(i);
 493 }
 494
 495 static void unmap_chunk(struct chunk *self)
 496 {
 497         size_t extra = self->psize;
 498         char *base = (char *)self - extra;
 499         size_t len = CHUNK_SIZE(self) + extra;
 500         /* Crash on double free */
 501         if (extra & 1) a_crash();
 502         __munmap(base, len);
 503 }
 504
 505 void free(void *p)
 506 {
 507         if (!p) return;
 508
 509         struct chunk *self = MEM_TO_CHUNK(p);
 510
 511         if (IS_MMAPPED(self))
 512                 unmap_chunk(self);
 513         else
 514                 __bin_chunk(self);
 515 }
 516
 517 void __malloc_donate(char *start, char *end)
 518 {
 519         size_t align_start_up = (SIZE_ALIGN-1) & (-(uintptr_t)start - OVERHEAD);
 520         size_t align_end_down = (SIZE_ALIGN-1) & (uintptr_t)end;
 521
 522         /* Getting past this condition ensures that the padding for alignment
 523          * and header overhead will not overflow and will leave a nonzero
 524          * multiple of SIZE_ALIGN bytes between start and end. */
 525         if (end - start <= OVERHEAD + align_start_up + align_end_down)
 526                 return;
 527         start += align_start_up + OVERHEAD;
 528         end   -= align_end_down;
 529
 530         struct chunk *c = MEM_TO_CHUNK(start), *n = MEM_TO_CHUNK(end);
 531         c->psize = n->csize = C_INUSE;
 532         c->csize = n->psize = C_INUSE | (end-start);
 533         __bin_chunk(c);
 534 }
 535
 536 void __malloc_atfork(int who)
 537 {
 538         if (who<0) {
 539                 lock(mal.split_merge_lock);
 540                 for (int i=0; i<64; i++)
 541                         lock(mal.bins[i].lock);
 542         } else if (!who) {
 543                 for (int i=0; i<64; i++)
 544                         unlock(mal.bins[i].lock);
 545                 unlock(mal.split_merge_lock);
 546         } else {
 547                 for (int i=0; i<64; i++)
 548                         mal.bins[i].lock[0] = mal.bins[i].lock[1] = 0;
 549                 mal.split_merge_lock[1] = 0;
 550                 mal.split_merge_lock[0] = 0;
 551         }
 552 }