关于malloc源码中bin_at宏定义的个人见解

2022-10-16

0x01：简介
0x02：个人理解
0x03：测试
0x04：思考

0x01：简介

在堆中的内存申请和释放中，为了减少使用系统调用函数对内存操作，malloc_state（分配区）结构中使用了fastbinsY数组和bins数组。当chunk被free后，bins链会将这些free chunk组织起来。当下次malloc时，会先对bins链中的free chunk进行遍历，有适合的则使用，无合适的再进行下一步操作。

在申请和释放操作时，一般是有一个arena（分配区，其为malloc_state结构类型）。通过宏定义bin_at(m,i)即可获得对相应bins链进行操作，m为分配区，i为索引，当i=1是为unsorted bin，i=2~63是small bin，i=64~126为large bin。

bin_at可以这样使用：
p = bin_at(m,1)  //unsorted bin
FD = p -> fd     //FD指向该链的第一个free chunk
BK = p -> bk     //BK指向该链的最后一个free chunk

0x02：个人理解

该宏定义为这样子，主要是为了操作方便（可直接fd、bk指向）和在节省空间之间取平衡。既操作方便又不浪费空间。

bin_at(m,i)宏定义原型：

#define bin_at(m, i) \
  (mbinptr) (((char *) &((m)->bins[((i) - 1) * 2]))                              \
             - offsetof (struct malloc_chunk, fd))

解释：
1、&((m)->bins[((i)-1)*2]),该式子根据bin的索引i，i为1时，即最开始的bin（unsorted bin）。
   获得bins[0]的地址，乘于2主要是因为fd和bk是一对存储的。

2、offsetof(struct malloc_chunk,fd):得到fd成员在malloc_chunk结构中的偏移量。在64位系统系统下为16。
   把第一步得到地址（令其为pt）转化为char*型，这样子减偏移值: pt - offsetof = pt - offsetof*(sizeof(char))。

3、重点：
   在第二步下，第一步得到的地址指向往后推移了两个单元，比如图中的bin_at(m,1)得到的是bins[0]前两个单元所在的地址。
   然后经过最后的（mbinptr）转化为malloc_chunk*类型，这样就可以有->fd、->bk操作。
   相当于是糊弄了操作系统，让操作系统误以为是个chunk结构。

语言表达不够，画图来凑~~

0x03：测试

// 测试代码：
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>

int main()
{
    void* p1 = malloc(0x100);
    void* f1 = malloc(0x10);   //防止合并
    void* p2 = malloc(0x100);
    void* f2 = malloc(0x10);
    void* p3 = malloc(0x100);
    void* f3 = malloc(0x10);

    sleep(0);  //方便下断点

    free(p1);
    free(p2);
    free(p3);

    sleep(0);  //下图断在了这里
    return 0;
}

可以看出unsorted bin的第一个单元是指向bin链的第一个free chunk，另外一个单元指向bin链的最后一个free chunk。图中我已经标出了指向top chunk的那个单元，也有：bin_at(m,1)指向该单元，或者更本质一点：bin_at(m,1) = 0x7ffffdd1b78。

0x04：思考

在刚开始看这个宏定义时，一脸懵逼，觉得这个宏定义是有问题吧，减去16不是超出了范围了么？后来继续分析源码时发现了->fd和->bk的操作，陷入了沉思。巧的是，群里有师傅刚好提到这个问题，所以和该师傅交流了一下，最后得到了一个比较合理的解释。

但是令我疑惑的是，为什么在后面会留两个空白单元嘞？留在前面不是更恰当么？bin_at(m,1)指向了bins数组外面的单元（存top chunk地址的单元），这样会不会存有遗患呢？😶

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