linux的内存分配和 list_for_each_entry_safe()函数的介绍

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我是靠谱客的博主可耐黑夜，最近开发中收集的这篇文章主要介绍linux的内存分配和 list_for_each_entry_safe()函数的介绍，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

碎碎念

这些内容主要是我翻译国外师傅博客的一小部分内容得来的。不得不说，这个师傅写的文章是真的详细而且亲民。
链接：https://blog.lexfo.fr/cve-2017-11176-linux-kernel-exploitation-part3.html
链接：https://blog.csdn.net/vanbreaker/article/details/7664296

涉及到的一些宏

offsetof宏：判断结构体中成员的偏移位置
container_of宏：根据成员的地址反过来来获取结构体地址。
list_for_each_entry_safe()：相当于遍历整个双向循环链表，遍历时会存下下一个节点的数据结构，方便对当前项进行删除。

linux的内存分配

在这里插入图片描述

物理页管理（伙伴系统）

物理内存被划分为固定长度的连续内存块，被称为一页，基本上一页的大小都是4kb，可以用宏指令PAGE_SIZE 来查询。

内核必须要知道每一页的位置和具体信息。例如，他们必须知道特定的页面是不是可用的，这些信息被记录在页面数据结构struct page（也被叫做页面描述符）。

内核可以用alloc_pages()申请一个或者多个相邻的页面，用free_pages()来释放他们。分区页框分配器用来管理内核的这些请求，通常使用的伙伴系统算法。所以也被叫做伙伴伙伴分配器。

slab分配器

伙伴分配器不是经常儿用的，因为他总是以页为分配单位的，分配小块内存时会产生较大的内存碎片。为了解决这个问题，linux采用了slab分配器来分配小块的内存。同时slab分配器页复杂处理内核的malloc()和free().
内核提供了三种slab分配器：
SLAB分配器：历史分配器，专注于硬件缓存优化(Debian仍然使用它)。
SLUB分配器：自2007年以来的“新”标准分配器（由Ubuntu / CentOS / Android使用）。
SLOB分配器：用于嵌入式系统的小内存。

slub分配器似乎时最好理解的，没有用缓存着色，不追踪"full slab"，没有内部和外部的slab管理。
用下面的代码可以查看机器使用的slab分配器。
缓存着色详见：https://blog.csdn.net/qianlong4526888/article/details/18005221

grep "CONFIG_SL.B=" /boot/config-$(uname -r)

重新分配内存取决于slab分配器，与SLUB相比，在SLAB上利用“use-after-free”更容易。利用slub还有一个好处就是slab混淆（更多的对象被存在"general" kmemcaches）。
ps: kmemcache是memcache的linux内核移植版,具体的请看https://blog.csdn.net/hjxhjh/article/details/12000413

cache和slab

由于内核偏向于分配相同内存大小的对象，所有为了避免反复申请释放同一块内存，slab分配器把相同大小的对象放在cache（一个已分配页框架的池）里面，cache用到的结构体时struct kmem_cache（缓存描述符）。

struct kmem_cache {
  // ...
    unsigned int        num;              // 每个slab中的对象数量
    unsigned int        gfporder;         // 一个slab对象包含连续页是2的几次方
    const char          *name;            // 这个cache的名字
    int                 obj_size;         // 管理的对象的大小
    struct kmem_list3   **nodelists;      // 维护三个链表empty/partial/full slabs
    struct array_cache  *array[NR_CPUS];  // 每个cpu中空闲对象组成的数组
};

一个slab基本上是一个或者多个页。一个简单的slab持有num数量的对象，每个对象大小都是obj_size，例如一个页大小的slab可以有四个1kb的对象。

struct slab {
    struct list_head list;             //用于将slab链入kmem_list3的链表
    unsigned long colouroff;           //该slab的着色偏移
    void *s_mem;                       // 指向slab中的第一个对象
    unsigned int inuse;                //已经分配对象的数量
    kmem_bufctl_t free;                //下一个未分配对象的下标
    unsigned short nodeid;             //节点标识号
};

slab的数据结构对象（slab描述符）可以被存在slab内部或者另一个内存的位置。这样做的根本原因是减少外碎片。slab的数据结构对象具体别存在哪取决于缓存对象的大小，如果当前的对象大小小于512字节，那么会存在slab内部，否则会存在slab外部。
note： internal/external stuff不需要被担心，我们在利用use-after-free。在另一方面，如果你要利用堆溢出，理解这个很有必要。
检索slab中对象的虚拟地址，可以直接通过s_mem(第一个对象的地址)加上偏移量获得。为了让他变得简单，所以第一个对象得地址就是s_mem，第二个就是s_mem + obj_size等等。其实上比这个更复杂，因为有"colouring" stuff （ps:缓存着色相关的？不怎么理解），但是这个是题外话。

slabs内部管理和伙伴系统作用

当一个slab被创建的时候，slab分配器项伙伴分配器申请物理页，当然，当他被销毁的时候，会把物理页面还给伙伴分配器。内存会降低slab的创建和销毁以提高效率。
note：为什么gfporder (struct kmem_cache)是同一个slab相邻页面的对数，这是因为伙伴系统不用byte来分配大小，而是以2的几次幂来分配的。gfporder 为0，表示单页，为1表示相邻的两页，为2表示相邻的四页。

对于每一个cache，slab分配器会保持三个双链表结构为了slabs。

full slabs：当前slab中的所有对象都被使用了。
free slabs：当前slab中的所有对象都是空的。
partial slabs：当前slab中的部分对象被使用了。

这些页面被存储与描述符中，nodelists(struct kmem_cache)，每个slab属于三个列表中的一个，并且能在自身情况改变后，在三个列表中进行切换。

为了减少与伙伴分配器的交互，slab分配器会保留一个有少量free slabs和partial slabs的池。当slab分配器申请一个对象的时候，会先检索自己的池中是否有空闲的slab，如果没有就会调用cache_grow()方法向伙伴分配器申请更多的物理页，当然，如果slab分配器发现自己的池中有太多的空闲slab，也会销毁一些slab将我i里也还给伙伴分配器。

每个cpu中的缓存数组（array_cache）

每次申请，slab分配器需要扫描整个free slabs 或者 partial slabs。通过扫描整个列表来寻找空闲的空间是低效的。（这会要求一些锁，还需要去找偏移）

为了提高性能，slab分配器保存一个队列指向空的对象。即struct array_cache，保存在缓存描述符中（struct kmem_cache）。

struct array_cache {
    unsigned int avail;       // 存放可用对象指针的数量也是当前空闲空闲数组的下标
    unsigned int limit;       // 最多可以存放的对象指针数量
    unsigned int batchcount;
    unsigned int touched;
    spinlock_t lock;
    void *entry[];            //  对象指针数组
};

ps：貌似最近的版本中entry[]变成了entry[0]，entry[0]表示一个可变长度的数组。
array_cache 采用的是LIFO的数据结构，从漏洞利用者的角度来说，这是一个极好的方式，这也是为什么在SLAB和SLUB分配器下use-after-free是更容易利用。

最简单的申请内存：

static inline void *____cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags) // yes... four "_"
{
    void *objp;
    struct array_cache *ac;

    ac = cpu_cache_get(cachep);

    if (likely(ac->avail)) {
        STATS_INC_ALLOCHIT(cachep);
        ac->touched = 1;
        objp = ac->entry[--ac->avail];        // <-----
  }

  // ... cut ...

  return objp;
}

最简单的释放内存：

static inline void __cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)
{
    struct array_cache *ac = cpu_cache_get(cachep);

  // ... cut ...

    if (likely(ac->avail < ac->limit)) {
        STATS_INC_FREEHIT(cachep);
        ac->entry[ac->avail++] = objp;          // <-----
        return;
  }
}

简单来说，最好的情况下，申请和释放操作的复杂度只有O(1)。

WARNING：如果这个快捷的方式失败了，分配算法会回到慢的解决方案，即一个个遍历。

note：每个cpu都有一个数组缓存，可以用cpu_cache_get()方法来获取，如此做可以减少锁的次数，从而提高性能。

note：array cache中的每一个空闲的指针可能指向的是不容的slabs

通用和专用缓存

为了减少外碎片，内核创建缓存以2的次方的大小，这样确保内碎片小于50%的大小，事实上，当内核去申请指定大小的尺寸时，他会申请到最适合的内存大小，即申请100字节会给你128字节的内存空间。

在SLAB中，通用缓存会有前缀"size-"（size-32,size-64）。在SLUB中，通用缓存会有前缀"kmalloc-"（kmalloc-32）。由于我们觉得SLUB的前缀更好，所以我们通常用他哪怕我们的目标是SLAB。

内核使用kmalloc()和kfree()方法去申请和释放通用缓存。

因为有一些对象会被频繁的申请和释放，内核创建了一些特殊的专用缓存。例如file文件对象是非常常用的对象，他
有自己的专用缓存(filp)。这些专用缓存的内碎片会接近于0。

内核使用kmem_cache_alloc()和kmem_cache_free()方法去申请和释放一块专用的内存空间。

在最后kmalloc()和kmem_cache_alloc()会变成 __cache_alloc()函数，当然kfree()和kmem_cache_free()会变成__cache_free()函数。

note：你可以看到全部的cache清单和一些有用的信息，在/proc/slabinfo中。

list_for_each_entry_safe()函数的介绍

container_of()宏

linux内核中广泛的使用到了双向循环列表，理解他对我们达到任意命令执行很必要，接下来我们会用一个具体的例子来理解双向循环列表的使用。这节结束时，你会明白list_for_each_entry_safe()宏的作用。

#define container_of(ptr, type, member) ({          
    const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    
    (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

//ptr 当前的地址
//type 所涉及的数据结构
//member 数据结构中的成员名

container_of()宏的意义在于利用结构成员的地址找回结构本身的地址。他使用两个宏：
typeof() - 定义编译时的类型
offsetof() - 查找结构中字段的偏移地址（以字节为单位）

例子：

struct foo {
  	unsigned long a;
  	unsigned long b;  // offset=8
}

void* get_foo_from_b(unsigned long *ptr)
{
  	// "ptr" points to the "b" field of a "struct foo"
  	return container_of(ptr, struct foo, b);
}

void bar() {
  	struct foo f;
  	void *ptr;

  	printf("f=%pn", &f);         // <----- print 0x0000aa00
  	printf("&f->b=%pn", &f->b);  // <----- print 0x0000aa08

  	ptr = get_foo_from_b(&f->b);
  	printf("ptr=%pn", ptr);      // <----- print 0x0000aa00, the address of "f"
}

也就是说，他利用他自己的当前段的地址减去他在该结构中的偏移地址。

使用双向循环列表

linux用以下结构处理双向循环列表：

struct list_head {
    struct list_head *next, *prev;
};

这个结构有两个作用：
1.代表双向循环列表本身。
2.代表列表中的一个元素。

INIT_LIST_HEAD()函数被用来创建双向循环列表，并将其next和prev指针都指向列表本身。

static inline void INIT_LIST_HEAD(struct list_head *list)
{
    list->next = list;
    list->prev = list;
}

我们先定义一个resource_owner结构体

struct resource_owner
{
	char name[16];
  	struct list_head consumer_list;
};
void init_resource_owner(struct resource_owner *ro)
{
  	strncpy(ro->name, "MYRESOURCE", 16);
  	INIT_LIST_HEAD(&ro->consumer_list);
}

为了使用列表，每个列表成员的结构必须一致，即每个成员都必须有struct list_head字段。

struct resource_consumer
{
  int id;
  struct list_head list_elt;    // <----- this is NOT a pointer
};

成员可以被添加和删除通过list_add()和list_del()方法。

int add_consumer(struct resource_owner *ro, int id)
{
  struct resource_consumer *rc;

  if ((rc = kmalloc(sizeof(*rc), GFP_KERNEL)) == NULL)
    return -ENOMEM;

  rc->id = id;
  list_add(&rc->list_elt, &ro->consumer_list);

  return 0;
}

接下来，我们想要释放一个成员，但是这个列表中只有一个元素，所以我们可以直接用container_of()宏来辅助释放当前元素。因为我们需要释放整一个resource_consumer对象，但是列表中只有list_elt的地址，所以需要把列表中的list_elt地址取出来，用container_of()宏来取到resource_consumer的地址，然后调用kfree()。

void release_consumer_by_entry(struct list_head *consumer_entry)
{
  struct resource_consumer *rc;

  // "consumer_entry" points to the "list_elt" field of a "struct resource_consumer"
  rc = container_of(consumer_entry, struct resource_consumer, list_elt);

  list_del(&rc->list_elt);
  kfree(rc);
}

我们想要访问一个元素通过他的id，所以我们使用list_for_each()宏遍历列表。

#define list_for_each(pos, head) 
    for (pos = (head)->next; pos != (head); pos = pos->next)
\如果pos指针没有指到头节点，就继续往下。
#define list_entry(ptr, type, member) 
    container_of(ptr, type, member)

我们可以看到list_for_each()只提供了一个迭代器，所以我们仍然需要container_of()宏，但是一般用list_entry()宏，因为虽然功能一样，但是名字更好。。。

struct resource_consumer* find_consumer_by_id(struct resource_owner *ro, int id)
{
  struct resource_consumer *rc = NULL;
  struct list_head *pos = NULL;

  list_for_each(pos, &ro->consumer_list) {
    rc = list_entry(pos, struct resource_consumer, list_elt);
    if (rc->id == id)
      return rc;
  }

  return NULL; // not found
}

不得不申明list_head变量，使用list_entry()/container_of()宏有点复杂，所以出现了list_for_each_entry()宏(使用了list_first_entry() 和 list_next_entry()宏)

#define list_first_entry(ptr, type, member) 
    list_entry((ptr)->next, type, member)
\取出下一个指针的结构体本身的地址
#define list_next_entry(pos, member) 
    list_entry((pos)->member.next, typeof(*(pos)), member)
\取出结构体中的取出当前元素所在元素链表中的下一个，然后返回下一个元素的结构的指针
#define list_for_each_entry(pos, head, member)              
    for (pos = list_first_entry(head, typeof(*pos), member);    
         &pos->member != (head);                    
         pos = list_next_entry(pos, member))
\c=typeof(*pos) 可以把c指向pos的数据类型

我们重写之前的代码，不再申明struct list_head。

struct resource_consumer* find_consumer_by_id(struct resource_owner *ro, int id)
{
  struct resource_consumer *rc = NULL;

  list_for_each_entry(rc, &ro->consumer_list, list_elt) {
    if (rc->id == id)
      return rc;
  }

  return NULL; // not found
}

接下来，如果我们要释放每一个成员，就会遇到两个问题：
我们release_consumer_by_entry()函数写的很烂，因为需要一个struct list_head指针。
ps:list_for_each()宏是基于列表不变的基础上的。

我们无法再遍历列表时删除元素，这会让我们的use-after-free很难进行，所以我们使用 list_for_each_safe()宏来解决，他会预先读取下一个元素。

#define list_for_each_safe(pos, n, head) 
    for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); 
        pos = n, n = pos->next)

这意味着我们需要两个struct list_head变量。

void release_all_consumers(struct resource_owner *ro)
{
  struct list_head *pos, *next;

  list_for_each_safe(pos, next, &ro->consumer_list) {
    release_consumer_by_entry(pos);
  }
}

最后一个是因为release_consumer_by_entry()写的很烂，所以我们我们用一个struct resource_consumer 指针作为参数。（不再使用container_of()）

void release_consumer(struct resource_consumer *rc)
{
  if (rc)
  {
    list_del(&rc->list_elt);
    kfree(rc);
  }
}

由于我们不用再使用struct list_head作为参数，所以利用 list_for_each_entry_safe()宏重写release_all_consumers()函数

#define list_for_each_entry_safe(pos, n, head, member)          
    for (pos = list_first_entry(head, typeof(*pos), member),    
        n = list_next_entry(pos, member);           
         &pos->member != (head);                    
         pos = n, n = list_next_entry(n, member))

即：
void release_all_consumers(struct resource_owner *ro)
{
  struct resource_consumer *rc, *next;

  list_for_each_entry_safe(rc, next, &ro->consumer_list, list_elt) {
    release_consumer(rc);
  }
}