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Para melhorar a eficiência de como os pedaços são armazenados, cada pedaço não está apenas em uma lista encadeada, mas existem vários tipos. Estes são os bins e existem 5 tipos de bins: [62](https://sourceware.org/git/gitweb.cgi?p=glibc.git;a=blob;f=malloc/malloc.c;h=6e766d11bc85b6480fa5c9f2a76559f8acf9deb5;hb=HEAD#l1407) small bins, 63 large bins, 1 unsorted bin, 10 fast bins e 64 tcache bins por thread.
O endereço inicial para cada bin desordenado, pequeno e grande está dentro do mesmo array. O índice 0 não é usado, 1 é o bin desordenado, os bins 2-64 são os bins pequenos e os bins 65-127 são os bins grandes.
Mesmo que as threads tentem ter seu próprio heap (veja [Arenas](bins-and-memory-allocations.md#arenas) e [Subheaps](bins-and-memory-allocations.md#subheaps)), há a possibilidade de que um processo com muitas threads (como um servidor web) **acabe compartilhando o heap com outras threads**. Nesse caso, a solução principal é o uso de **lockers**, que podem **desacelerar significativamente as threads**.
Portanto, um tcache é semelhante a um bin rápido por thread no sentido de que é uma **lista encadeada simples** que não mescla pedaços. Cada thread tem **64 bins tcache encadeados simples**. Cada bin pode ter um máximo de [7 pedaços do mesmo tamanho](https://sourceware.org/git/?p=glibc.git;a=blob;f=malloc/malloc.c;h=2527e2504761744df2bdb1abdc02d936ff907ad2;hb=d5c3fafc4307c9b7a4c7d5cb381fcdbfad340bcc#l323) variando de [24 a 1032B em sistemas de 64 bits e 12 a 516B em sistemas de 32 bits](https://sourceware.org/git/?p=glibc.git;a=blob;f=malloc/malloc.c;h=2527e2504761744df2bdb1abdc02d936ff907ad2;hb=d5c3fafc4307c9b7a4c7d5cb381fcdbfad340bcc#l315).
Quando um thread libera um pedaço, se não for muito grande para ser alocado no tcache e o bin tcache respectivo **não estiver cheio** (já com 7 pedaços), ele será alocado lá. Se não puder ir para o tcache, precisará esperar pelo bloqueio do heap para poder realizar a operação de liberação globalmente.
Quando um **pedaço é alocado**, se houver um pedaço livre do tamanho necessário no **Tcache, ele o usará**, caso contrário, precisará esperar pelo bloqueio do heap para poder encontrar um nos bins globais ou criar um novo.\
Há também uma otimização, nesse caso, enquanto tiver o bloqueio do heap, o thread **preencherá seu Tcache com pedaços do heap (7) do tamanho solicitado**, para que, caso precise de mais, os encontre no Tcache.
No código a seguir, é possível ver o **número máximo de bins** e **chunks por índice**, a struct **`tcache_entry`** criada para evitar frees duplos e **`tcache_perthread_struct`**, uma struct que cada thread usa para armazenar os endereços de cada índice do bin.
O tcache possui vários bins dependendo do tamanho e os ponteiros iniciais para o **primeiro chunk de cada índice e a quantidade de chunks por índice estão localizados dentro de um chunk**. Isso significa que ao localizar o chunk com essas informações (geralmente o primeiro), é possível encontrar todos os pontos iniciais do tcache e a quantidade de chunks do Tcache.
### Bins Rápidos
Os bins rápidos são projetados para **acelerar a alocação de memória para pequenos chunks** mantendo chunks recentemente liberados em uma estrutura de acesso rápido. Esses bins usam uma abordagem Last-In, First-Out (LIFO), o que significa que o **chunk mais recentemente liberado é o primeiro** a ser reutilizado quando há uma nova solicitação de alocação. Esse comportamento é vantajoso para a velocidade, pois é mais rápido inserir e remover do topo de uma pilha (LIFO) em comparação com uma fila (FIFO).
Além disso, **os bins rápidos usam listas encadeadas simples**, não duplamente encadeadas, o que melhora ainda mais a velocidade. Como os chunks nos bins rápidos não são mesclados com vizinhos, não há necessidade de uma estrutura complexa que permita a remoção do meio. Uma lista encadeada simples é mais simples e rápida para essas operações.
Basicamente, o que acontece aqui é que o cabeçalho (o ponteiro para o primeiro chunk a ser verificado) está sempre apontando para o chunk liberado mais recentemente desse tamanho. Então:
* Quando um novo chunk é alocado desse tamanho, o cabeçalho está apontando para um chunk livre para usar. Como esse chunk livre está apontando para o próximo a ser usado, esse endereço é armazenado no cabeçalho para que a próxima alocação saiba onde obter um chunk disponível.
* Quando um chunk é liberado, o chunk livre salvará o endereço para o chunk disponível atual e o endereço para esse novo chunk liberado será colocado no cabeçalho.
O tamanho máximo de uma lista encadeada é `0x80` e elas são organizadas de modo que um chunk de tamanho `0x20` estará no índice `0`, um chunk de tamanho `0x30` estará no índice `1`...
Chunks nos bins rápidos não são definidos como disponíveis, então eles são mantidos como chunks de bin rápido por algum tempo em vez de poderem ser mesclados com outros chunks livres ao redor deles.
Compile e depure com um breakpoint no opcode `ret` da função `main`. Em seguida, com o `gef`, você pode ver que o bin tcache está cheio e um pedaço está no fast bin:
───────────────────────────────────────────────────────────────────────── Fastbins for arena at 0xfffff7f90b00 ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────
O bin não ordenado é um **cache** usado pelo gerenciador de heap para tornar a alocação de memória mais rápida. Veja como funciona: Quando um programa libera um pedaço de memória e se esse pedaço não pode ser alocado em um tcache ou fast bin e não está colidindo com o chunk superior, o gerenciador de heap não o coloca imediatamente em um bin específico pequeno ou grande. Em vez disso, ele primeiro tenta **fundir com quaisquer chunks livres vizinhos** para criar um bloco maior de memória livre. Em seguida, ele coloca esse novo chunk em um bin geral chamado "bin não ordenado".
Quando um programa **solicita memória**, o gerenciador de heap **verifica o bin não ordenado** para ver se há um chunk de tamanho suficiente. Se encontrar, ele o utiliza imediatamente. Se não encontrar um chunk adequado no bin não ordenado, ele move todos os chunks nesta lista para seus bins correspondentes, seja pequeno ou grande, com base em seu tamanho.
Portanto, o bin não ordenado é uma maneira de acelerar a alocação de memória reutilizando rapidamente a memória liberada recentemente e reduzindo a necessidade de pesquisas e fusões demoradas.
{% hint style="danger" %}
Observe que mesmo que os chunks sejam de categorias diferentes, se um chunk disponível estiver colidindo com outro chunk disponível (mesmo que originalmente pertençam a bins diferentes), eles serão fundidos.
{% endhint %}
<details>
<summary>Adicionar um exemplo de chunk não ordenado</summary>
```c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main(void)
{
char *chunks[9];
int i;
// Loop to allocate memory 8 times
for (i = 0; i <9;i++){
chunks[i] = malloc(0x100);
if (chunks[i] == NULL) { // Check if malloc failed
fprintf(stderr, "Memory allocation failed at iteration %d\n", i);
return 1;
}
printf("Address of chunk %d: %p\n", i, (void *)chunks[i]);
Observe como alocamos e liberamos 9 pedaços do mesmo tamanho para que **preencham o tcache** e o oitavo seja armazenado no unsorted bin porque é **muito grande para o fastbin** e o nono não é liberado, então o nono e o oitavo **não são mesclados com o top chunk**.
Compile e depure com um breakpoint no opcode `ret` da função `main`. Em seguida, com o `gef`, você pode ver que o bin tcache está cheio e um pedaço está no unsorted bin:
───────────────────────────────────────────────────────────────────────── Fastbins for arena at 0xfffff7f90b00 ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0, size=0x20] 0x00
Fastbins[idx=1, size=0x30] 0x00
Fastbins[idx=2, size=0x40] 0x00
Fastbins[idx=3, size=0x50] 0x00
Fastbins[idx=4, size=0x60] 0x00
Fastbins[idx=5, size=0x70] 0x00
Fastbins[idx=6, size=0x80] 0x00
─────────────────────────────────────────────────────────────────────── Unsorted Bin for arena at 0xfffff7f90b00 ───────────────────────────────────────────────────────────────────────
Cada bin dos 62 terá **pedaços do mesmo tamanho**: 16, 24, ... (com um tamanho máximo de 504 bytes em 32 bits e 1024 em 64 bits). Isso ajuda na velocidade de encontrar o bin onde um espaço deve ser alocado e na inserção e remoção de entradas nessas listas.
Observe como alocamos e liberamos 9 pedaços do mesmo tamanho para que **preencham o tcache** e o oitavo seja armazenado no unsorted bin porque é **muito grande para o fastbin** e o nono não é liberado, então o nono e o oitavo **não são mesclados com o top chunk**. Em seguida, alocamos um pedaço maior de 0x110, o que faz com que **o pedaço no unsorted bin vá para o small bin**.
Compile e depure com um breakpoint no opcode `ret` da função `main`. Em seguida, com o `gef`, você pode ver que o bin tcache está cheio e um pedaço está no small bin:
───────────────────────────────────────────────────────────────────────── Fastbins for arena at 0xfffff7f90b00 ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0, size=0x20] 0x00
Fastbins[idx=1, size=0x30] 0x00
Fastbins[idx=2, size=0x40] 0x00
Fastbins[idx=3, size=0x50] 0x00
Fastbins[idx=4, size=0x60] 0x00
Fastbins[idx=5, size=0x70] 0x00
Fastbins[idx=6, size=0x80] 0x00
─────────────────────────────────────────────────────────────────────── Unsorted Bin for arena at 0xfffff7f90b00 ───────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] Found 0 chunks in unsorted bin.
──────────────────────────────────────────────────────────────────────── Small Bins for arena at 0xfffff7f90b00 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Ao contrário dos bins pequenos, que gerenciam pedaços de tamanhos fixos, cada **bin grande lida com uma faixa de tamanhos de pedaços**. Isso é mais flexível, permitindo que o sistema acomode **vários tamanhos** sem precisar de um bin separado para cada tamanho.
Em um alocador de memória, os bins grandes começam onde os bins pequenos terminam. As faixas para os bins grandes crescem progressivamente, o que significa que o primeiro bin pode abranger pedaços de 512 a 576 bytes, enquanto o próximo abrange de 576 a 640 bytes. Esse padrão continua, com o bin maior contendo todos os pedaços acima de 1MB.
Os bins grandes são mais lentos de operar em comparação com os bins pequenos porque eles precisam **ordenar e pesquisar em uma lista de tamanhos de pedaços variados para encontrar o melhor encaixe** para uma alocação. Quando um pedaço é inserido em um bin grande, ele precisa ser ordenado, e quando a memória é alocada, o sistema deve encontrar o pedaço certo. Esse trabalho extra os torna **mais lentos**, mas como alocações grandes são menos comuns do que as pequenas, é uma troca aceitável.
Duas grandes alocações são realizadas, em seguida uma é liberada (colocando-a no bin não ordenado) e uma alocação maior é feita (movendo a liberada do bin não ordenado para o bin grande).
Compile e depure com um breakpoint no opcode `ret` da função `main`. Então com `gef` você pode ver que o bin tcache está cheio e um chunk está no bin grande:
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────── Tcachebins for thread 1 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
All tcachebins are empty
───────────────────────────────────────────────────────────────────────── Fastbins for arena at 0xfffff7f90b00 ─────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0, size=0x20] 0x00
Fastbins[idx=1, size=0x30] 0x00
Fastbins[idx=2, size=0x40] 0x00
Fastbins[idx=3, size=0x50] 0x00
Fastbins[idx=4, size=0x60] 0x00
Fastbins[idx=5, size=0x70] 0x00
Fastbins[idx=6, size=0x80] 0x00
─────────────────────────────────────────────────────────────────────── Unsorted Bin for arena at 0xfffff7f90b00 ───────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] Found 0 chunks in unsorted bin.
──────────────────────────────────────────────────────────────────────── Small Bins for arena at 0xfffff7f90b00 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────
[+] Found 0 chunks in 0 small non-empty bins.
──────────────────────────────────────────────────────────────────────── Large Bins for arena at 0xfffff7f90b00 ────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Basicamente, este é um pedaço contendo toda a heap atualmente disponível. Quando um malloc é executado, se não houver nenhum pedaço livre disponível para usar, este pedaço superior reduzirá seu tamanho fornecendo o espaço necessário. O ponteiro para o Top Chunk é armazenado na estrutura `malloc_state`.
Depois de compilar e depurar com um ponto de interrupção no opcode `ret` de `main`, vi que o malloc retornou o endereço `0xaaaaaaac12a0` e estes são os chunks:
Onde pode ser visto que o chunk superior está no endereço `0xaaaaaaac1ae0`. Isso não é surpresa porque o último chunk alocado estava em `0xaaaaaaac12a0` com um tamanho de `0x410` e `0xaaaaaaac12a0 + 0x410 = 0xaaaaaaac1ae0`.\
Quando o malloc é usado e um chunk é dividido (do unsorted bin ou do top chunk, por exemplo), o chunk criado a partir do restante do chunk dividido é chamado de Último Resto e seu ponteiro é armazenado na estrutura `malloc_state`.
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