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