[Heap] tcache 정리

Posted Jan 16, 2025

By br0nzu 4 min read

glibc 2.26 이후 tcache라는 기능이 추가되었다.

tcache

tcache(Tread local Caching)은 멀티 스레드 환경에서 메모리 할당 속도를 높이기 위해 만들어진 기술이다.

즉, tcache는 작은 단위의 메모리 할당이 필요할 경우 Arena를 참조하지 않고 바로 메모리를 할당할 수 있도록 각 스레드 당 thread cache라는 영역을 제공함으로써 메모리 할당 속도를 높일 수 있는 기술이다.

tcache structure

이 사진은 tcache의 전체적인 구조이다.

tcache_entry

  
// glibc 2.26 malloc.c line 2925

/* We overlay this structure on the user-data portion of a chunk when
   the chunk is stored in the per-thread cache.  */
typedef struct tcache_entry
{
  struct tcache_entry *next;
} tcache_entry;

tcache_entry 구조체는 동일한 크기의 free 청크를 관리하는 구조체이다.

next: tcache list 관리

tcache_perthread_struct

tcache는 tcache_perthread_struct에 존재한다.

  
// glibc 2.26 malloc.c line 2932

/* There is one of these for each thread, which contains the
   per-thread cache (hence "tcache_perthread_struct").  Keeping
   overall size low is mildly important.  Note that COUNTS and ENTRIES
   are redundant (we could have just counted the linked list each
   time), this is for performance reasons.  */
typedef struct tcache_perthread_struct
{
  char counts[TCACHE_MAX_BINS];             // TCACHE_MAX_BINS = 64
  tcache_entry *entries[TCACHE_MAX_BINS];   // TCACHE_MAX_BINS = 64
} tcache_perthread_struct;

counts[TCACHE_MAX_BINS]: entries[TCACHE_MAX_BINS]에 연결되어 있는 청크의 개수
entries[TCACHE_MAX_BINS]: 기존 bin의 역할과 동일
- 단일 연결리스트로, LIFO 방식 사용
- 동일한 크기의 free 청크들로 연결

  
// heap.c
// gcc -g -fno-stack-protector -z execstack -z norelro -no-pie -o heap heap.c -lpthread

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void main(){
    char *heap1 = malloc(0x10);
    char *heap2 = malloc(0x10);
    char *heap3 = malloc(0x20);
    char *heap4 = malloc(0x20);
    char *heap5 = malloc(0x30);
    char *heap6 = malloc(0x30);

    free(heap1);
    free(heap2);
    free(heap3);
    free(heap4);
    free(heap5);
    free(heap6);
}

free(heap6)이후 결과이다.

tcache는 LIFO 방식의 단일 연결리스트 구조로 각자의 크기의 맞게 들어가 있으며, count 되어 있는 모습을 볼 수 있다.

이는 tcache_perthread_struct 부분인데, counts(0x601010 ~ 0x601048)와 entries(0x601050 ~ 0x601248) 부분이 설정 되어 있는 모습을 볼 수 있다.

또한, glibc 2.26부터 heapbase에 tcache_perthread_struct 구조체 내용이 제일 먼저 할당된다. 따라서 tcache_perthread_struct에 할당되는 청크의 크기는 count(64) + entry(8 * 64 = 512) + header(16)값인 592(0x250)바이트가 된다.

tcahce 특징

tcahce의 주요 특징은 다음과 같다.

LIFO 방식의 단일 연결리스트
하나의 tcache는 같은 크기의 청크들만 보관
tcache에서 bin의 개수는 일반적으로 64개이며, 각각 서로 다른 크기의 청크들을 bin에 저장하는데 최대 7개의 청크까지 저장할 수 있음
- 7개 이후의 청크들은 각자 자신의 크기에 맞는 bin(fast, small, large)에 들어감
tcache에 들어갈 수 있는 크기는 32(0x20)바이트 ~ 1040(0x410)이하의 크기를 갖는다.
- tcahce에 들어갈 수 있는 크기의 청크가 free되면 tcahce에 가장 먼저 할당