malloc中的系統調用brk和mmap

malloc中的系統調用brk和mmap

環境

• ubuntu14.04

• malloc通過系統調用的方式從操作系統申請內存，malloc內部又通過系統調用brk()或mmap來申請內存的。入下圖進程虛擬內存布局所示，mmap對應Memory Mapping Segment,brk對應Heap.

brk

• brk通過增加program break的位置（brk）從內核申請（非零值初始化）內存。一開始堆段（heap segment）的其實位置（start_brk）和結束位置（brk）指向同一個位置。

  • 當ASLR(Address Space Layout Randomization)關閉時，start_brk和brk同時指向data/bss段的結束位置（end_data)
  • 當ASLR打開時，start_brk和brk同時指向data/bss段的結束位置（end_data）再加上一個隨機的brk偏移。

• 上面的進程虛擬內存布局展示了，start_brk是堆段的開始位置 ，brk（program break）是堆棧的結束位置。

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\n", getpid());

        /* sbrk(0) 獲取當前 program break 位置 */
        tmp_brk = curr_brk = sbrk(0);
        printf("Program Break Location1:%p\n", 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\n", curr_brk);
        getchar();

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

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

        return 0;
}

• 在增加program break之前，輸出如下：
  

• start_brk=brk=end_data=0x602000

• 在增加program break之后，輸入如下：
  

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

• 可以觀察到堆段

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

• 00602000-00603000是堆段的虛擬地址范圍
• rw-p的標准含義是Read、Write、 NoeXecute、Private
• 00000000 是文件偏移量，由於沒有映射任何文件所以為0
• 00：00 是major/minor device number，由於沒有映射任何文件所以為0
• 0是inode 也是沒有映射任何文件所以為0
• 【heap】是堆段

mmap

• malloc使用mmap創建一個私有匿名的映射段，這個映射段的主要目的是申請一塊（零值初始化的）新內存，並且這塊內存只能被調用的這個進程獨占使用。

/* 使用mmap系統調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\n", msg);
        exit(-1);
}

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

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

• 調用mmap之前：可以看到，屬於libc.so和ld-linux.so共享庫的內存映射段。
  

• 調用mmap之后：如下我們可以看到,mmap映射的內存段已經從上圖紅色框內分配出去（0xe0000-0xbf000=0x21000）.

• 調用munmap之后，如下輸出可以看到mmap已經被解除映射了。

• 以上實現ASLR是關閉的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/