QUESTION
heap_init과 allocator backend 단계에서 실제로 바뀌는 상태는 무엇인가?
heap 시작·끝과 linker image, boot allocator 영역의 겹침을 먼저 확인한다. wrapper 아래 backend가 miniheap인지 dlmalloc인지도 project 설정에 따라 달라진다.
allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다. 이 문장을 기준으로 코드를 위에서 아래로 읽으면, 함수 이름을 외우는 대신 어느 시점에 어떤 상태를 신뢰할 수 있는지 판단할 수 있다.
STRUCTURE
객체와 주소가 놓이는 구조
heap arena / allocator metadata를 중심에 놓고 왼쪽의 입력이 어떤 검사를 거쳐 오른쪽 결과로 공개되는지 표시했다. 실제 디버깅에서는 각 블록의 주소와 크기를 로그에 대입한다.
CALL PATH
실행 흐름
화살표는 단순 호출 순서만 뜻하지 않는다. 각 단계가 성공을 반환할 때 다음 단계가 읽을 수 있는 상태가 무엇인지 함께 확인한다. 오류 반환이 발생하면 바로 다음 화살표로 진행하지 않고 해당 단계의 정리 경로를 따라간다.
STATE LEDGER
단계별 입력과 출력
각 단계의 입력과 처리 후 바뀌는 상태를 정리한 표다. 사용 중인 소스 버전에서 다른 필드를 변경한다면 그에 맞춰 표도 수정한다.
| # | 단계 | 진입 시 신뢰할 상태 | 성공 뒤 남아야 할 상태 | 다음 소비자 |
|---|---|---|---|---|
| 01 | memory arena | 부트 CPU의 동기 실행 문맥 | heap span | heap_init |
| 02 | heap_init | memory arena 완료 상태 | allocator headers | allocator metadata |
| 03 | allocator metadata | heap_init 완료 상태 | allocated blocks | malloc/free |
| 04 | malloc/free | allocator metadata 완료 상태 | free lists | kernel objects |
| 05 | kernel objects | malloc/free 완료 상태 | free lists | 이 단계의 처리 결과를 사용하는 코드 |
분석 범위의 전제와 비교해, 다음 단계에 잘못된 입력을 넘긴 부분부터 조사한다.
VISUAL WALKTHROUGH
주소와 객체의 이동을 그림으로 읽기
아래 그림은 주소, 객체를 사용하는 기간, 제어권을 넘기는 시점을 중심으로 정리했다. 실제 주소와 크기는 사용 중인 보드의 bdinfo, 맵 파일과 링커 심벌로 확인한다.
호출 이름만 나열하지 않고, 각 단계가 다음 단계에 넘기는 상태를 기준으로 실행 순서를 표시한다.
두 열의 객체는 이름이 비슷해도 생성 시점, 사용 가능한 API와 해제 책임이 다르다.
Free block
01free list link
02병합 가능한 size
03poison pattern
04owner 없음
05중복 삽입 금지
Allocated block
01요청·실제 크기
02alignment padding
03caller ownership
04free 전 list 미연결
05경계 guard 검사
UPSTREAM SOURCE
원본 코드
아래 코드는 LK upstream 1eb9917의 lib/heap/heap_wrapper.c에서 116-204줄을 그대로 가져온 것이다. 설명을 위해 실제 코드를 가짜 의사 코드로 바꾸지 않았다.
116#else
117#error need to select valid heap implementation or provide wrapper
118#endif
119
120static void heap_free_delayed_list(void) {
121 struct list_node list;
122
123 list_initialize(&list);
124
125 spin_lock_saved_state_t state;
126 spin_lock_irqsave(&delayed_free_lock, state);
127
128 struct list_node *node;
129 while ((node = list_remove_head(&delayed_free_list))) {
130 list_add_head(&list, node);
131 }
132 spin_unlock_irqrestore(&delayed_free_lock, state);
133
134 while ((node = list_remove_head(&list))) {
135 LTRACEF("freeing node %p\n", node);
136 HEAP_FREE(node);
137 }
138}
139
140void heap_init(void) {
141 HEAP_INIT();
142}
143
144void heap_trim(void) {
145 // deal with the pending free list
146 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
147 heap_free_delayed_list();
148 }
149
150 HEAP_TRIM();
151}
152
153void *malloc(size_t size) {
154 LTRACEF("size %zd\n", size);
155
156 // deal with the pending free list
157 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
158 heap_free_delayed_list();
159 }
160
161 void *ptr = HEAP_MALLOC(size);
162 if (heap_trace)
163 printf("caller %p malloc %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), size, ptr);
164 return ptr;
165}
166
167void *memalign(size_t boundary, size_t size) {
168 LTRACEF("boundary %zu, size %zd\n", boundary, size);
169
170 // deal with the pending free list
171 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
172 heap_free_delayed_list();
173 }
174
175 void *ptr = HEAP_MEMALIGN(boundary, size);
176 if (heap_trace)
177 printf("caller %p memalign %zu, %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), boundary, size, ptr);
178 return ptr;
179}
180
181void *calloc(size_t count, size_t size) {
182 LTRACEF("count %zu, size %zd\n", count, size);
183
184 // deal with the pending free list
185 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
186 heap_free_delayed_list();
187 }
188
189 void *ptr = HEAP_CALLOC(count, size);
190 if (heap_trace)
191 printf("caller %p calloc %zu, %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), count, size, ptr);
192 return ptr;
193}
194
195void *realloc(void *ptr, size_t size) {
196 LTRACEF("ptr %p, size %zd\n", ptr, size);
197
198 // deal with the pending free list
199 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
200 heap_free_delayed_list();
201 }
202
203 void *ptr2 = HEAP_REALLOC(ptr, size);
204 if (heap_trace)
READING CONTRACT
발췌 범위와 읽기 기준
원문 116-204줄에는 앞뒤 문맥이 포함됩니다. 기준 구문 void heap_init(void)은 L140에 있습니다. 발췌 첫 줄을 함수 정의의 시작으로 해석하지 않습니다.
heap 시작·끝과 linker image, boot allocator 영역의 겹침을 먼저 확인한다. wrapper 아래 backend가 miniheap인지 dlmalloc인지도 project 설정에 따라 달라진다.
RELATED SOURCE
함께 읽어야 하는 원본 코드
첫 코드 조각만으로 동작이 완성되지 않는 경우 호출 매크로, 객체 정의와 실제 실행 목록을 같은 페이지에 묶었다. 각 조각은 같은 기준 commit에서 가져왔다.
01. heap wrapper에서 실제 allocation으로 들어가는 malloc
lib/heap/heap_wrapper.c 145-211줄이다.
145 // deal with the pending free list
146 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
147 heap_free_delayed_list();
148 }
149
150 HEAP_TRIM();
151}
152
153void *malloc(size_t size) {
154 LTRACEF("size %zd\n", size);
155
156 // deal with the pending free list
157 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
158 heap_free_delayed_list();
159 }
160
161 void *ptr = HEAP_MALLOC(size);
162 if (heap_trace)
163 printf("caller %p malloc %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), size, ptr);
164 return ptr;
165}
166
167void *memalign(size_t boundary, size_t size) {
168 LTRACEF("boundary %zu, size %zd\n", boundary, size);
169
170 // deal with the pending free list
171 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
172 heap_free_delayed_list();
173 }
174
175 void *ptr = HEAP_MEMALIGN(boundary, size);
176 if (heap_trace)
177 printf("caller %p memalign %zu, %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), boundary, size, ptr);
178 return ptr;
179}
180
181void *calloc(size_t count, size_t size) {
182 LTRACEF("count %zu, size %zd\n", count, size);
183
184 // deal with the pending free list
185 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
186 heap_free_delayed_list();
187 }
188
189 void *ptr = HEAP_CALLOC(count, size);
190 if (heap_trace)
191 printf("caller %p calloc %zu, %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), count, size, ptr);
192 return ptr;
193}
194
195void *realloc(void *ptr, size_t size) {
196 LTRACEF("ptr %p, size %zd\n", ptr, size);
197
198 // deal with the pending free list
199 if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {
200 heap_free_delayed_list();
201 }
202
203 void *ptr2 = HEAP_REALLOC(ptr, size);
204 if (heap_trace)
205 printf("caller %p realloc %p, %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), ptr, size, ptr2);
206 return ptr2;
207}
208
209void free(void *ptr) {
210 LTRACEF("ptr %p\n", ptr);
211 if (heap_trace)
DETAILS
내부 동작을 더 깊게 읽기
진입 조건을 먼저 고정한다
memory arena에서 들어온 실행은 부트 CPU의 동기 실행 문맥에 놓여 있다. 이때 interrupt, MMU/cache, stack, heap 중 무엇이 이미 준비되었는지 소스의 호출자까지 올라가 확인한다. 같은 함수라도 SPL, relocation 전후, app thread처럼 호출 문맥이 달라지면 허용되는 API와 지연 시간이 달라진다.
heap 시작·끝과 linker image, boot allocator 영역의 겹침을 먼저 확인한다. wrapper 아래 backend가 miniheap인지 dlmalloc인지도 project 설정에 따라 달라진다.
중심 객체의 생성과 공개를 나눈다
이 글의 중심 객체는 heap arena / allocator metadata다. 메모리를 확보한 시점, 필드를 채운 시점, 전역 list나 다른 subsystem에 공개한 시점을 구분한다. 공개 뒤 오류가 발생한다면 목록에서 제거하고 child, buffer, reference를 역순으로 정리하는지 확인한다.
빌드 산출물 관점에서는 최종 부트로더 이미지 안에 해당 symbol과 section이 실제로 포함되었는지도 map과 objdump로 검증한다.
주소, 크기와 정렬을 계산한다
부트 코드에서는 주소 계산 오류를 주의해야 한다. 원본과 목적지의 주소 범위, 헤더에 기록된 데이터 크기, 블록·페이지 단위를 표로 정리하고 각 구간의 끝 주소를 계산한다. 끝 주소가 start + size - 1처럼 마지막 바이트를 가리키는지, 구간 바로 다음 주소를 가리키는지는 API 규약에서 확인한다.
성공 flag와 실제 완료 시점을 맞춘다
heap_init → allocator metadata → malloc/free 구간에서는 부분 초기화 상태가 생길 수 있다. flag, list insertion, callback 등록, storage write 완료 중 무엇이 성공의 기준인지 찾는다. hardware write나 DMA가 포함되면 함수 반환과 장치 완료가 같은 시점인지도 확인한다.
다른 CPU, 인터럽트 처리기, USB 완료 콜백, 셸 명령에서도 이 상태를 읽는다면 메모리 접근 순서와 잠금 범위를 함께 확인한다.
제어권을 넘기기 전에 확인할 조건을 정리한다
정상 경로는 kernel objects에서 끝난다. 이 단계가 함수 반환인지, scheduler 전환인지, 다른 image로의 비복귀 분기인지 구분한다. 비복귀 handoff라면 cache clean/invalidate, interrupt disable, 장치 quiesce, argument register와 FDT 또는 image address가 최종 점검 항목이다.
호출한 함수로 돌아오는 경로라면 오류와 일부 처리만 완료된 상태를 구분하는지 확인한다. 이어서 다음 후보를 시도할지, 복구 절차를 실행할지 살펴본다.
IMPLEMENTATION NOTES
구현을 읽을 때 놓치기 쉬운 부분
heap arena를 제공하는 계층과 block allocator를 나눈다
초기 static arena를 allocator에 넘기는 경우와 PMM/VMM에서 page를 추가로 받는 runtime 경로는 실패 조건이 다르다. heap metadata가 arena 안에 놓이는지 별도 영역인지 계산해 첫 usable address를 확인한다.
alignment와 최소 block size 때문에 선언한 arena size 전체를 payload로 쓸 수 없다.
split과 coalesce의 경계 tag를 검증한다
allocation은 큰 free block을 나누고 free는 인접 block을 합친다. size field와 free list link가 서로 다른 상태를 나타내는 순간 다른 CPU가 관찰하지 않도록 lock 범위를 본다.
double free와 buffer overrun이 다음 allocation까지 숨어 있지 않도록 canary와 free-list consistency check를 debug build에 넣는다.
초기화 전 allocation을 구별한다
constructor나 early platform code가 heap_init보다 먼저 malloc을 호출하면 null 반환, static fallback 또는 memory corruption 중 어느 동작인지 구현에 따라 달라진다. call graph에서 early allocation을 전수 검색한다.
각 init level 뒤 used/free/high-water mark를 기록해 allocator leak와 정상 persistent allocation을 구분한다.
OBJECT LIFETIME
객체와 수명
| 대상 | 만들어지는 시점 | 유효 범위 | 확인할 조건 |
|---|---|---|---|
heap arena / allocator metadata | heap_init | kernel objects 또는 오류 정리 완료까지 | 진입 전제와 상태 계약 |
| 입력 buffer / metadata | memory arena | parse와 검증이 끝날 때까지 | 길이, 정렬, 소유권, 변조 가능성 |
| 등록된 list / descriptor | allocator metadata | 하위 시스템을 종료하거나 다음 이미지에 제어권을 넘길 때까지 | 중복 등록, 해제된 객체를 가리키는 포인터, 오류 후 자원 정리 |
| hardware 또는 persistent state | 실제 write/probe가 완료된 뒤 | reset 또는 명시적 해제·갱신까지 | 쓰기 완료, 시간 초과, 전원 차단, 이전 상태 복원 |
최종 부트로더 이미지 | link/image 생성 시점 | 다음 stage가 새 image로 교체할 때까지 | 적재 주소, 진입점, 섹션, 헤더의 일치 여부 |
FAILURE PATH
실패 지점과 증상
| # | 조건 | 관찰되는 증상 | 먼저 볼 단계 |
|---|---|---|---|
| 01 | arena overlap | image/stack 손상 | heap_init |
| 02 | free owner 오류 | metadata corruption | allocator metadata |
| 03 | interrupt 문맥 malloc | latency와 재진입 문제 | malloc/free |
로그가 끊긴 함수뿐 아니라 그 함수에 주소, 크기, 플래그를 전달한 앞 단계도 조사한다. 오류 처리 후 등록된 객체나 하드웨어 설정이 그대로 남아 있는지도 확인한다.
EVIDENCE
소스 밖에서 확인할 증거
소스에서 파악한 동작을 실제 빌드 결과와 대상 보드의 로그로 확인한다. 아래 명령의 보드 이름과 툴체인 접두사는 사용 중인 빌드 환경에 맞게 바꾼다.
| # | 목적 | 명령 또는 계측 | 판정 기준 |
|---|---|---|---|
| 01 | 빌드 구성 | make <project> -j1 | platform, target, app 선택과 linker 입력을 로그로 남긴다. |
| 02 | symbol과 주소 | nm -n build-*/lk.elf | grep 'void heap_init' | init hook, app descriptor와 함수가 어느 주소에 놓였는지 확인한다. |
| 03 | 어셈블리 대조 | objdump -drS build-*/lk.elf | thread 전환과 interrupt disable 구간의 실제 명령을 확인한다. |
| 04 | 초기화 순서 | init level 전후에 current_time_hires()와 함수 이름 기록 | level 내부 순서와 지연을 serial log로 남긴다. |
| 05 | 문맥 확인 | current_thread, interrupt state, stack pointer 기록 | 함수가 bootstrap thread인지 scheduler 이후 thread인지 구분한다. |
LAB
직접 확인할 실험
- 01heap base/end를 map과 대조
heap_init진입 전후에 heap span의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다. - 02할당 크기별 alignment 검사
allocator metadata진입 전후에 allocator headers의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다. - 03allocation failure를 주입해 caller 처리 확인
malloc/free진입 전후에 allocated blocks의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.
PRIMARY REFERENCES