glibc中realloc()函数源码深度解析（2.2x ~ 2.3x版本）

前置知识：常见定义

Glibc 2.23

1. GCC优化：__builtin_expect(expr, val) - 表示expr的结果预期是val，符合预期为真，反之为假
2. 堆块转换：
   • chunk2mem(p)：堆块指针转数据起始位置
   • mem2chunk(oldmem)：数据起始位置转堆块指针
3. 堆块操作：
   • chunksize(oldp)：获取堆块大小
   • chunk_is_mmapped(oldp)：检测堆块是否由mmap()创建
4. 大小计算：
   • request2size(req)：根据请求大小计算实际分配大小（对齐+头部元数据）
   • checked_request2size(req)：带检查的版本
5. 错误处理：
   • assert(expr)：条件不成立时触发
   • __malloc_assert()
   • malloc_printerr()

Glibc 2.27

• 报错方式更加规范
• 新增__builtin_unreachable()：告诉编译器该位置不可能被执行
• assert()宏定义改为__assert_fail()
• malloc_printerr()函数定义简化

Glibc 2.31

• 结果优化改变，封装入不同宏定义
• checked_request2size(req)定义改变

Glibc 2.35

• 新增内存标记功能：
  • __libc_mtag_tag_region()：内存区域标签标记
  • __libc_mtag_new_tag()：生成新内存标签
  • mtag_enabled：是否启用内存标记的标志
  • memsize(p)：返回数据区大小
  • tag_region()：封装函数
  • tag_new_usable()：封装旧函数+新特性

realloc()函数核心逻辑分析（以2.23版本为例）

初始处理

1. 检查__realloc_hook：

   • 非空则跳转到写入的地址
   • 通常第一次存放堆初始化地址

2. 边界情况处理：

   • 指针有效但size=0：调用__libc_free
   • 指针无效但size≠0：调用__libc_malloc

3. 获取堆块信息：

   • 判断是否为mmap分配：
     • 是：将ar_ptr设为NULL
     • 否：设为堆块所在的arena

安全检查

1. 空间环绕检查：

   (uintptr_t)oldp > (uintptr_t)-oldsize
   

   • 防止整数溢出漏洞
   • 确保oldp不是伪造指针（避免地址+size导致溢出）

2. 对齐检查：

   • misaligned_chunk(oldp)：堆块大小必须对齐

3. 大小计算：

   • 使用checked_request2size(req)获取实际需要的大小

mmap块处理

• 检查系统是否支持mremap：
  • 不支持时：
    • 若oldsize - SIZE_SZ >= nb：直接返回旧堆块
    • 否则：调用__libc_malloc申请新块，复制内容后munmap_chunk释放旧块

arena锁定

• 调用mutex_lock()锁定arena防止多线程竞争
• 调用_int_realloc()进行分配
• 完成后mutex_unlock()

分配结果检查

assert(!newp || chunk_is_mmapped(mem2chunk(newp)) || 
       ar_ptr == arena_for_chunk(mem2chunk(newp)))

• newp == NULL：允许（分配失败）
• 通过mmap处理的堆块：允许
• 属于当前arena的堆块：允许

分配失败处理

• 如果_int_realloc()失败：
  • 直接申请新块
  • 复制内容
  • 通过_int_free()释放旧块

_int_realloc()内部逻辑

初步检查

1. 堆块大小检查：

   • 不能小于2*SIZE_SZ
   • 不能大于当前arena申请的内存
   • 违规报错："realloc(): invalid old size"

2. 下一堆块检查：

   • 不能过小（<2*SIZE_SZ）
   • 不能过大
   • 违规报错："realloc(): invalid next size"

缩小堆块流程

1. 如果旧堆块足够大：
   • 初步将新堆块指针指向旧堆块
   • 记录新堆块大小与旧堆块相同
   • 进入缩小步骤

扩大堆块流程

1. 下一堆块是Top Chunk：

   • 条件：oldsize + nextsize >= nb + MINSIZE
   • 操作：
     • set_head_size()设置新大小
     • 非main_arena时标记NON_MAIN_ARENA
     • 更新top指针为oldp + nb
     • 设置新top chunk头部信息（大小=newsize - nb，加PREV_INUSE标志）

2. 下一堆块空闲（非fastbin）：

   • 条件：PREV_INUSE为空
   • 操作：调用unlink合并堆块
   • 返回旧堆块数据地址指针

3. 下一堆块在使用中或属于fastbin：

   • 条件：PREV_INUSE为1
   • 操作：
     • 申请新块（_int_malloc）
     • 复制内容
     • 释放旧块（_int_free）
     • 若申请堆块相邻则跳过复制

堆块缩小处理

1. 计算缩小后剩余大小：remainder_size = oldsize - nb
2. 检查：
   • remainder_size < MINSIZE：放弃分割
   • 否则：
     • 分割为独立堆块
     • 设置元数据（大小、remainder标记、arena标志）
     • 调用_int_free()释放

各版本主要变化

Glibc 2.27

• 报错位置直接调用报错函数输出
• 更加及时和规范

Glibc 2.31

• 堆块复制直接使用memcpy()

Glibc 2.35

1. 移除realloc_hook，改为内部初始化
2. 复制内容优化，增加安全性

Glibc 2.39

• 增加检查：验证需要更改的堆块大小是否被修改过

realloc()整体工作逻辑总结

1. 初始处理：

   • 执行realloc_hook（如果有）
   • 处理边界情况（ptr有效size=0或ptr无效size≠0）

2. 系统调用路径：

   • 指针有效且size较大需要走系统调用：
     • 缩小：不做改变，返回原堆块
     • 扩大：系统调用生成新块并复制
     • 出错返回NULL

3. 常规路径：

   • arena上锁防止竞争
   • 调用_int_realloc()
     • 大小检查
     • mmap检查
     • 邻块检查
   • 解锁arena
   • 堆块合法性检查

4. 扩大处理：

   • 下一堆块是Top Chunk且足够大：直接扩大
   • 下一堆块空闲且大小合适：unlink合并
   • 下一堆块在使用中：申请+复制+释放

5. 缩小处理：

   • 剩余空间≥MINSIZE：分割并释放
   • 否则不缩小

6. 失败处理：

   • _int_realloc()失败时尝试申请+复制+释放
   • 彻底失败则报错