O heap é basicamente o lugar onde um programa poderá armazenar dados quando solicita dados chamando funções como **`malloc`**, `calloc`... Além disso, quando essa memória não é mais necessária, ela é disponibilizada chamando a função **`free`**.
Quando alguns dados são solicitados para serem armazenados no heap, um espaço do heap é alocado para isso. Esse espaço pertencerá a um bin e apenas os dados solicitados + o espaço dos cabeçalhos do bin + o deslocamento do tamanho mínimo do bin serão reservados para o chunk. O objetivo é reservar a menor quantidade de memória possível sem complicar a localização de onde cada chunk está. Para isso, as informações de metadados do chunk são usadas para saber onde cada chunk usado/livre está.
* Se não houver nenhum chunk disponível na lista, mas ainda houver espaço na memória heap alocada, o gerenciador de heap cria um novo chunk.
* Se não houver espaço suficiente no heap para alocar o novo chunk, o gerenciador de heap solicita ao kernel que expanda a memória alocada para o heap e, em seguida, usa essa memória para gerar o novo chunk.
Em aplicações **multithreaded**, o gerenciador de heap deve prevenir **condições de corrida** que poderiam levar a falhas. Inicialmente, isso era feito usando um **mutex global** para garantir que apenas um thread pudesse acessar o heap por vez, mas isso causou **problemas de desempenho** devido ao gargalo induzido pelo mutex.
Para resolver isso, o alocador de heap ptmalloc2 introduziu "arenas", onde **cada arena** atua como um **heap separado** com suas **próprias** estruturas de **dados** e **mutex**, permitindo que múltiplos threads realizem operações de heap sem interferir uns nos outros, desde que usem arenas diferentes.
A arena "principal" padrão lida com operações de heap para aplicações de thread único. Quando **novos threads** são adicionados, o gerenciador de heap os atribui a **arenas secundárias** para reduzir a contenção. Ele tenta primeiro anexar cada novo thread a uma arena não utilizada, criando novas se necessário, até um limite de 2 vezes o número de núcleos de CPU para sistemas de 32 bits e 8 vezes para sistemas de 64 bits. Uma vez que o limite é alcançado, **os threads devem compartilhar arenas**, levando a uma potencial contenção.
Diferente da arena principal, que se expande usando a chamada de sistema `brk`, as arenas secundárias criam "subheaps" usando `mmap` e `mprotect` para simular o comportamento do heap, permitindo flexibilidade na gestão de memória para operações multithreaded.
Subheaps servem como reservas de memória para arenas secundárias em aplicações multithreaded, permitindo que elas cresçam e gerenciem suas próprias regiões de heap separadamente do heap principal. Aqui está como os subheaps diferem do heap inicial e como operam:
* Quando o gerenciador de heap cria um subheap, ele reserva um grande bloco de memória através de `mmap`. Essa reserva não aloca memória imediatamente; simplesmente designa uma região que outros processos ou alocações do sistema não devem usar.
* A região de memória reservada é inicialmente marcada como `PROT_NONE`, indicando que o kernel não precisa alocar memória física para esse espaço ainda.
* Para "crescer" o subheap, o gerenciador de heap usa `mprotect` para mudar as permissões de página de `PROT_NONE` para `PROT_READ | PROT_WRITE`, solicitando ao kernel que aloque memória física para os endereços previamente reservados. Essa abordagem passo a passo permite que o subheap se expanda conforme necessário.
* Uma vez que todo o subheap é esgotado, o gerenciador de heap cria um novo subheap para continuar a alocação.
Esta struct aloca informações relevantes do heap. Além disso, a memória do heap pode não ser contínua após mais alocações, esta struct também armazenará essa informação.
// From https://github.com/bminor/glibc/blob/a07e000e82cb71238259e674529c37c12dc7d423/malloc/arena.c#L837
typedef struct _heap_info
{
mstate ar_ptr; /* Arena for this heap. */
struct _heap_info *prev; /* Previous heap. */
size_t size; /* Current size in bytes. */
size_t mprotect_size; /* Size in bytes that has been mprotected
PROT_READ|PROT_WRITE. */
size_t pagesize; /* Page size used when allocating the arena. */
/* Make sure the following data is properly aligned, particularly
that sizeof (heap_info) + 2 * SIZE_SZ is a multiple of
MALLOC_ALIGNMENT. */
char pad[-3 * SIZE_SZ & MALLOC_ALIGN_MASK];
} heap_info;
```
### malloc\_state
**Cada heap** (arena principal ou outras arenas de threads) tem uma **estrutura `malloc_state`.**\
É importante notar que a **estrutura `malloc_state` da arena principal** é uma **variável global na libc** (portanto localizada no espaço de memória da libc).\
* O `mchunkptr bins[NBINS * 2 - 2];` contém **ponteiros** para os **primeiros e últimos chunks** dos **bins** pequenos, grandes e não ordenados (o -2 é porque o índice 0 não é usado)
* Portanto, o **primeiro chunk** desses bins terá um **ponteiro reverso para esta estrutura** e o **último chunk** desses bins terá um **ponteiro para frente** para esta estrutura. O que basicamente significa que se você puder **vazar esses endereços na arena principal**, você terá um ponteiro para a estrutura na **libc**.
* O chunk `top` é o último "chunk", que é basicamente **todo o espaço restante do heap**. Uma vez que o chunk top está "vazio", o heap está completamente utilizado e precisa solicitar mais espaço.
* O chunk `last reminder` vem de casos onde um chunk de tamanho exato não está disponível e, portanto, um chunk maior é dividido, uma parte do ponteiro restante é colocada aqui.
Então, o espaço para os dados do usuário, e finalmente 0x08B para indicar o tamanho do chunk anterior quando o chunk está disponível (ou para armazenar dados do usuário quando está alocado).
Quando malloc é usado, um ponteiro para o conteúdo que pode ser escrito é retornado (logo após os cabeçalhos), no entanto, ao gerenciar chunks, é necessário um ponteiro para o início dos cabeçalhos (metadados).\
Note que para calcular o espaço total necessário, `SIZE_SZ` é adicionado apenas 1 vez porque o campo `prev_size` pode ser usado para armazenar dados, portanto, apenas o cabeçalho inicial é necessário.
É possível ver que a string panda foi armazenada em `0xaaaaaaac12a0` (que foi o endereço dado como resposta pelo malloc dentro de `x0`). Verificando 0x10 bytes antes, é possível ver que o `0x0` representa que o **chunk anterior não está em uso** (comprimento 0) e que o comprimento deste chunk é `0x21`.
Os espaços extras reservados (0x21-0x10=0x11) vêm dos **cabeçalhos adicionados** (0x10) e 0x1 não significa que foi reservado 0x21B, mas os últimos 3 bits do comprimento do cabeçalho atual têm alguns significados especiais. Como o comprimento é sempre alinhado a 16 bytes (em máquinas de 64 bits), esses bits na verdade nunca serão usados pelo número de comprimento.
