heap_init과 allocator backend | LK

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

그림 1. heap_init과 allocator backend에서 입력, 내부 상태, 출력의 경계

입력과 전제내부 상태외부로 공개되는 결과

01heap span

02allocator headers

03allocated blocks

04free lists

INVARIANT

allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다.

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

그림 2. 정상 경로의 주요 호출과 상태 전달

memory arena

heap_init

allocator metadata

malloc/free

kernel objects

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

호출 순서를 함수 이름으로만 외우지 않고, 각 단계가 무엇을 받아 무엇을 공개하는지 적은 표다. 실제 소스에서 생산 필드가 다르면 표를 고치는 방식으로 사용한다.

#	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	최종 최종 부트로더 이미지 또는 다음 stage

공통 불변 조건: allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다. 한 단계의 출력이 다음 단계의 입력 조건을 만족하지 않으면 오류가 실제로 드러난 위치보다 앞의 생산 단계부터 조사한다.

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.

commit1eb99171efae98867d4be4a5bd6479ea03f43ac9symbolvoid heap_init(void)

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)

LINE BY LINE

116-204줄 해설

원본에 보이는 모든 줄을 순서대로 설명한다. 빈 줄도 block 경계로 남겨, 코드와 설명의 위치가 어긋나지 않게 했다.

116#else

#else 전처리 지시문으로 이 줄 아래의 code가 binary에 존재할지를 결정한다. architecture 또는 build stage 조건을 여닫는다. 현재 .config와 compiler의 -dD -E 출력에서 실제로 남은 branch를 확인한 뒤 line-by-line 흐름에 포함한다.

117#error need to select valid heap implementation or provide wrapper

#error 전처리 지시문으로 이 줄 아래의 code가 binary에 존재할지를 결정한다. architecture 또는 build stage 조건을 여닫는다. 현재 .config와 compiler의 -dD -E 출력에서 실제로 남은 branch를 확인한 뒤 line-by-line 흐름에 포함한다.

118#endif

#endif 전처리 지시문으로 이 줄 아래의 code가 binary에 존재할지를 결정한다. architecture 또는 build stage 조건을 여닫는다. 현재 .config와 compiler의 -dD -E 출력에서 실제로 남은 branch를 확인한 뒤 line-by-line 흐름에 포함한다.

119(빈 줄)

#endif까지의 동작과 static void heap_free_delayed_list(void) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

120static void heap_free_delayed_list(void) {

heap_free_delayed_list 함수 정의가 시작된다. 입력은 void이며, 부트 CPU의 동기 실행 문맥에서 호출된다는 전제로 반환 전까지의 상태 변화를 읽는다.

121struct list_node list;

struct list_node list를 선언한다. 함수 안 선언이면 현재 stack frame, file scope와 static이면 image의 data/BSS에 놓인다. 이 값이 heap arena / allocator metadata를 직접 소유하는지 pointer만 빌리는지, 부트 CPU의 동기 실행 문맥를 벗어난 뒤에도 참조되는지 다음 대입과 callback 등록까지 따라간다.

122(빈 줄)

struct list_node list;까지의 동작과 list_initialize(&list);에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

123list_initialize(&list);

list_initialize(&list)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

124(빈 줄)

list_initialize(&list);까지의 동작과 spin_lock_saved_state_t state;에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

125spin_lock_saved_state_t state;

원본 125번 줄의 spin_lock_saved_state_t state;는 앞의 이전 block 경계 결과를 받아 다음 spin_lock_irqsave(&delayed_free_lock, state);로 넘기는 중간 연산이다. 이 줄이 바꾸는 register·field·list link를 찾고, 변경 뒤에도 'allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다' 조건이 유지되는지 확인한다.

126spin_lock_irqsave(&delayed_free_lock, state);

spin_lock_irqsave(&delayed_free_lock, state)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

127(빈 줄)

spin_lock_irqsave(&delayed_free_lock, state);까지의 동작과 struct list_node *node;에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

128struct list_node *node;

struct list_node *node를 선언한다. 함수 안 선언이면 현재 stack frame, file scope와 static이면 image의 data/BSS에 놓인다. 이 값이 heap arena / allocator metadata를 직접 소유하는지 pointer만 빌리는지, 부트 CPU의 동기 실행 문맥를 벗어난 뒤에도 참조되는지 다음 대입과 callback 등록까지 따라간다.

129while ((node = list_remove_head(&delayed_free_list))) {

'while ((node = list_remove_head(&delayed_free_list))) {'가 목록이나 후보를 순회한다. 반복 중 heap arena / allocator metadata를 제거·추가하는 호출이 있는지와 loop 종료 뒤 iterator가 유효한지 확인한다.

130list_add_head(&list, node);

list_add_head(&list, node)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

131}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

132spin_unlock_irqrestore(&delayed_free_lock, state);

spin_unlock_irqrestore(&delayed_free_lock, state)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

133(빈 줄)

spin_unlock_irqrestore(&delayed_free_lock, state);까지의 동작과 while ((node = list_remove_head(&list))) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

134while ((node = list_remove_head(&list))) {

'while ((node = list_remove_head(&list))) {'가 목록이나 후보를 순회한다. 반복 중 heap arena / allocator metadata를 제거·추가하는 호출이 있는지와 loop 종료 뒤 iterator가 유효한지 확인한다.

135LTRACEF("freeing node %p\n", node);

LTRACEF("freeing node %p\n", node)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

136HEAP_FREE(node);

HEAP_FREE(node)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

137}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

138}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

139(빈 줄)

}까지의 동작과 void heap_init(void) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

140void heap_init(void) {

heap_init 함수 정의가 시작된다. 입력은 void이며, 부트 CPU의 동기 실행 문맥에서 호출된다는 전제로 반환 전까지의 상태 변화를 읽는다.

141HEAP_INIT();

HEAP_INIT(인자 없음)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

142}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

143(빈 줄)

}까지의 동작과 void heap_trim(void) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

144void heap_trim(void) {

heap_trim 함수 정의가 시작된다. 입력은 void이며, 부트 CPU의 동기 실행 문맥에서 호출된다는 전제로 반환 전까지의 상태 변화를 읽는다.

145// deal with the pending free list

원본 주석이 'deal with the pending free list'라고 기록한 줄이다. 바로 아래 구현이 이 전제와 같은 순서·단위를 사용하는지 대조한다.

146if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {

unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))를 검사해 진행 여부를 가른다. 거짓 경로와 참 경로 중 어느 쪽이 'allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다' 조건을 보존하는지 다음 return 또는 goto까지 따라간다.

147heap_free_delayed_list();

heap_free_delayed_list(인자 없음)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

148}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

149(빈 줄)

}까지의 동작과 HEAP_TRIM();에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

150HEAP_TRIM();

HEAP_TRIM(인자 없음)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

151}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

152(빈 줄)

}까지의 동작과 void *malloc(size_t size) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

153void *malloc(size_t size) {

malloc(size_t size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

154LTRACEF("size %zd\n", size);

LTRACEF("size %zd\n", size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

155(빈 줄)

LTRACEF("size %zd\n", size);까지의 동작과 // deal with the pending free list에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

156// deal with the pending free list

원본 주석이 'deal with the pending free list'라고 기록한 줄이다. 바로 아래 구현이 이 전제와 같은 순서·단위를 사용하는지 대조한다.

157if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {

158heap_free_delayed_list();

159}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

160(빈 줄)

}까지의 동작과 void *ptr = HEAP_MALLOC(size);에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

161void *ptr = HEAP_MALLOC(size);

void *ptr = HEAP_MALLOC(size)를 선언한다. 함수 안 선언이면 현재 stack frame, file scope와 static이면 image의 data/BSS에 놓인다. 이 값이 heap arena / allocator metadata를 직접 소유하는지 pointer만 빌리는지, 부트 CPU의 동기 실행 문맥를 벗어난 뒤에도 참조되는지 다음 대입과 callback 등록까지 따라간다.

162if (heap_trace)

heap_trace를 검사해 진행 여부를 가른다. 거짓 경로와 참 경로 중 어느 쪽이 'allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다' 조건을 보존하는지 다음 return 또는 goto까지 따라간다.

163printf("caller %p malloc %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), size, ptr);

__GET_CALLER(), size, ptr)를 호출한다. 반환 결과는 현재 줄 또는 다음 return ptr;에서 검사되는 흐름이다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

164return ptr;

ptr를 호출자에게 반환한다. caller가 이 값을 검사한 뒤 부분 초기화된 heap arena / allocator metadata를 정리하거나 다음 단계로 진행하는지 확인한다.

165}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

166(빈 줄)

}까지의 동작과 void *memalign(size_t boundary, size_t size) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

167void *memalign(size_t boundary, size_t size) {

memalign(size_t boundary, size_t size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

168LTRACEF("boundary %zu, size %zd\n", boundary, size);

LTRACEF("boundary %zu, size %zd\n", boundary, size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

169(빈 줄)

LTRACEF("boundary %zu, size %zd\n", boundary, size);까지의 동작과 // deal with the pending free list에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

170// deal with the pending free list

원본 주석이 'deal with the pending free list'라고 기록한 줄이다. 바로 아래 구현이 이 전제와 같은 순서·단위를 사용하는지 대조한다.

171if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {

172heap_free_delayed_list();

173}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

174(빈 줄)

}까지의 동작과 void *ptr = HEAP_MEMALIGN(boundary, size);에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

175void *ptr = HEAP_MEMALIGN(boundary, size);

void *ptr = HEAP_MEMALIGN(boundary, size)를 선언한다. 함수 안 선언이면 현재 stack frame, file scope와 static이면 image의 data/BSS에 놓인다. 이 값이 heap arena / allocator metadata를 직접 소유하는지 pointer만 빌리는지, 부트 CPU의 동기 실행 문맥를 벗어난 뒤에도 참조되는지 다음 대입과 callback 등록까지 따라간다.

176if (heap_trace)

177printf("caller %p memalign %zu, %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), boundary, size, ptr);

__GET_CALLER(), boundary, size, ptr)를 호출한다. 반환 결과는 현재 줄 또는 다음 return ptr;에서 검사되는 흐름이다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

178return ptr;

ptr를 호출자에게 반환한다. caller가 이 값을 검사한 뒤 부분 초기화된 heap arena / allocator metadata를 정리하거나 다음 단계로 진행하는지 확인한다.

179}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

180(빈 줄)

}까지의 동작과 void *calloc(size_t count, size_t size) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

181void *calloc(size_t count, size_t size) {

calloc(size_t count, size_t size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

182LTRACEF("count %zu, size %zd\n", count, size);

LTRACEF("count %zu, size %zd\n", count, size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

183(빈 줄)

LTRACEF("count %zu, size %zd\n", count, size);까지의 동작과 // deal with the pending free list에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

184// deal with the pending free list

원본 주석이 'deal with the pending free list'라고 기록한 줄이다. 바로 아래 구현이 이 전제와 같은 순서·단위를 사용하는지 대조한다.

185if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {

186heap_free_delayed_list();

187}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

188(빈 줄)

}까지의 동작과 void *ptr = HEAP_CALLOC(count, size);에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

189void *ptr = HEAP_CALLOC(count, size);

void *ptr = HEAP_CALLOC(count, size)를 선언한다. 함수 안 선언이면 현재 stack frame, file scope와 static이면 image의 data/BSS에 놓인다. 이 값이 heap arena / allocator metadata를 직접 소유하는지 pointer만 빌리는지, 부트 CPU의 동기 실행 문맥를 벗어난 뒤에도 참조되는지 다음 대입과 callback 등록까지 따라간다.

190if (heap_trace)

191printf("caller %p calloc %zu, %zu -> %p\n", __GET_CALLER(), count, size, ptr);

__GET_CALLER(), count, size, ptr)를 호출한다. 반환 결과는 현재 줄 또는 다음 return ptr;에서 검사되는 흐름이다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

192return ptr;

ptr를 호출자에게 반환한다. caller가 이 값을 검사한 뒤 부분 초기화된 heap arena / allocator metadata를 정리하거나 다음 단계로 진행하는지 확인한다.

193}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

194(빈 줄)

}까지의 동작과 void *realloc(void *ptr, size_t size) {에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

195void *realloc(void *ptr, size_t size) {

realloc(void *ptr, size_t size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

196LTRACEF("ptr %p, size %zd\n", ptr, size);

LTRACEF("ptr %p, size %zd\n", ptr, size)를 호출한다. 반환값을 직접 사용하지 않으므로 이 함수가 실패를 내부 처리하는지 확인해야 한다. pointer 인자는 heap arena / allocator metadata의 소유권을 넘기는지 호출 동안만 빌리는지 구분하고, 호출 뒤 공개되는 상태를 free lists 항목과 대조한다.

197(빈 줄)

LTRACEF("ptr %p, size %zd\n", ptr, size);까지의 동작과 // deal with the pending free list에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

198// deal with the pending free list

원본 주석이 'deal with the pending free list'라고 기록한 줄이다. 바로 아래 구현이 이 전제와 같은 순서·단위를 사용하는지 대조한다.

199if (unlikely(!list_is_empty(&delayed_free_list))) {

200heap_free_delayed_list();

201}

현재 block, initializer 또는 호출의 경계를 닫는다. 이 지점까지 획득한 resource가 성공 경로와 실패 경로에서 대칭인지 점검한다.

202(빈 줄)

}까지의 동작과 void *ptr2 = HEAP_REALLOC(ptr, size);에서 시작하는 동작을 나누는 빈 줄이다. 앞 블록이 만든 free lists 상태가 아래 블록의 입력으로 사용되는 경계다.

203void *ptr2 = HEAP_REALLOC(ptr, size);

void *ptr2 = HEAP_REALLOC(ptr, size)를 선언한다. 함수 안 선언이면 현재 stack frame, file scope와 static이면 image의 data/BSS에 놓인다. 이 값이 heap arena / allocator metadata를 직접 소유하는지 pointer만 빌리는지, 부트 CPU의 동기 실행 문맥를 벗어난 뒤에도 참조되는지 다음 대입과 callback 등록까지 따라간다.

204if (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 코드의 오류는 논리보다 주소 계산에서 먼저 드러나는 경우가 많다. source range, destination range, header가 말하는 payload size, block 또는 page 단위를 표로 적고 각 구간의 끝 주소를 직접 계산한다. 끝 주소는 start + size - 1인지 exclusive end인지 API 계약을 확인한다.

allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다.

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, interrupt handler, USB completion 또는 shell command가 상태를 관찰할 수 있다면 memory ordering과 lock 범위도 함께 읽는다.

마지막 handoff의 계약을 적는다

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.

반환하는 경로라면 caller가 오류와 부분 성공을 구분하고 다음 후보 또는 복구 경로를 선택하는지 확인한다.

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	allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다.
입력 buffer / metadata	memory arena	parse와 검증이 끝날 때까지	길이, 정렬, 소유권, 변조 가능성
등록된 list / descriptor	allocator metadata	subsystem 종료 또는 image handoff까지	이중 등록, dangling pointer, 오류 unwind
hardware 또는 persistent state	실제 write/probe가 완료된 뒤	reset 또는 명시적 해제·갱신까지	flush, timeout, 전원 차단, rollback
`최종 부트로더 이미지`	link/image 생성 시점	다음 stage가 새 image로 교체할 때까지	load address, entry, section과 header 일치

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 마지막 함수만 고치지 않는다. 그 함수가 받은 주소, size, flag가 만들어진 앞 단계까지 올라가고, 오류 뒤 등록 객체와 hardware 상태가 남았는지도 확인한다.

EVIDENCE

소스 밖에서 확인할 증거

소스 해석은 실제 빌드 산출물과 target 로그로 닫아야 한다. 아래 명령의 보드 이름과 toolchain prefix는 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

01
heap base/end를 map과 대조
heap_init 진입 전후에 heap span의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다. 결과는 정상 부팅 여부로 끝내지 말고 allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다. 조건이 처음 깨지는 줄을 기록한다.
02
할당 크기별 alignment 검사
allocator metadata 진입 전후에 allocator headers의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다. 결과는 정상 부팅 여부로 끝내지 말고 allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다. 조건이 처음 깨지는 줄을 기록한다.
03
allocation failure를 주입해 caller 처리 확인
malloc/free 진입 전후에 allocated blocks의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다. 결과는 정상 부팅 여부로 끝내지 말고 allocator가 관리하는 arena는 다른 memory owner와 겹치지 않고 모든 반환 포인터의 정렬을 만족해야 한다. 조건이 처음 깨지는 줄을 기록한다.

PRIMARY REFERENCES

원문과 다음 글

lib/heap/heap_wrapper.cupstream 1eb9917 원본 파일 LK source tree기준 commit 1eb99171efae