PHP扩展开发中的堆分配器（Heap Allocator）选择：jemalloc与ptmalloc在安全边界的差异 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

PHP扩展开发中的堆分配器选择：jemalloc与ptmalloc在安全边界的差异

大家好，今天我们来探讨一个在PHP扩展开发中至关重要但常常被忽视的议题：堆分配器的选择，以及jemalloc和ptmalloc在安全边界上的差异。堆分配器是程序运行时动态分配和释放内存的关键组件，其性能和安全性直接影响扩展的稳定性和可靠性。在PHP扩展开发中，选择合适的堆分配器，并理解其安全特性，对于构建健壮的扩展至关重要。

堆分配器的基本概念

堆分配器，顾名思义，负责管理进程的堆内存区域。当程序需要动态内存时（例如，通过malloc或calloc在C语言中），堆分配器会从堆中分配一块内存区域给程序使用。当程序不再需要这块内存时，它需要将内存释放回堆，以便堆分配器可以将其重新分配给其他程序。

常见的堆分配器包括：

ptmalloc2 (glibc): GNU C 库 (glibc) 中使用的堆分配器，广泛应用于Linux系统。
jemalloc: Facebook 开发并开源的内存分配器，以性能和可扩展性著称。
tcmalloc: Google 开发的内存分配器，是 gperftools 的一部分，同样注重性能。

ptmalloc2: 经典但存在一些固有缺陷

ptmalloc2是glibc提供的标准堆分配器，在许多Linux系统中默认使用。它采用了一种复杂的策略来管理堆内存，包括使用多个 arenas（竞技场）来减少线程间的锁竞争，以及使用不同的 bins（垃圾箱）来管理不同大小的空闲块。

ptmalloc2的安全模型

ptmalloc2的安全模型在设计上并没有特别关注安全性，而是更多地侧重于性能和内存利用率。它的一些特性可能导致安全漏洞，例如：

堆溢出 (Heap Overflow)：当程序写入超过分配内存块的边界时，就会发生堆溢出。ptmalloc2尝试通过维护元数据（例如块大小、是否空闲等）来检测堆损坏，但如果溢出覆盖了相邻块的元数据，就可能绕过这些检测。
堆释放后使用 (Use-After-Free)：当程序释放了一块内存后，又尝试访问这块内存，就会发生堆释放后使用。ptmalloc2不会主动清空已释放的内存，因此攻击者可以利用这个漏洞来读取或修改已释放内存中的数据。
双重释放 (Double Free)：当程序试图释放同一块内存两次时，就会发生双重释放。ptmalloc2会检测这种情况，但如果攻击者精心构造了堆布局，就可能绕过这些检测。

ptmalloc2的代码示例 (简化)

以下代码示例演示了 ptmalloc2 中堆溢出漏洞的一个简单场景：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main() {
  char *ptr1, *ptr2;

  // 分配两块相邻的内存
  ptr1 = (char *)malloc(16);
  ptr2 = (char *)malloc(16);

  if (ptr1 == NULL || ptr2 == NULL) {
    perror("malloc failed");
    return 1;
  }

  // 模拟堆溢出：向 ptr1 写入超过 16 字节的数据，覆盖 ptr2 的元数据
  memset(ptr1, 'A', 32);

  // 如果 ptr2 的元数据被破坏，free(ptr2) 可能会导致崩溃或安全漏洞
  free(ptr2);
  free(ptr1);

  return 0;
}

在这个例子中，memset 函数向 ptr1 写入了 32 字节的数据，超过了其分配的 16 字节。这会导致堆溢出，覆盖了相邻的 ptr2 的元数据。当调用 free(ptr2) 时，ptmalloc2 可能会因为 ptr2 的元数据被破坏而崩溃，或者更糟糕的是，导致安全漏洞。

ptmalloc2的安全缓解措施

ptmalloc2 提供了一些安全缓解措施，例如：

堆完整性检查：ptmalloc2 会定期检查堆的完整性，以检测堆损坏。
空闲块合并：ptmalloc2 会将相邻的空闲块合并成更大的块，以减少内存碎片。
Safe-Linking：在一些版本的glibc中引入了Safe-Linking机制，用于防止链表指针被篡改。

但是，这些缓解措施并非万无一失，攻击者仍然可以通过精心构造攻击 payload 来绕过它们。

jemalloc: 面向安全的设计与实现

jemalloc是一个由 Jason Evans 开发的通用内存分配器，最初是 FreeBSD 项目的一部分。它以其卓越的性能、可扩展性和内存利用率而闻名。与 ptmalloc2 相比，jemalloc 在设计上更加注重安全性，并提供了一些额外的安全特性。

jemalloc的安全模型

jemalloc采用了更严格的安全模型，旨在防止各种堆漏洞，例如：

Redzones: jemalloc在分配的内存块周围添加了redzones（红色区域），用于检测堆溢出。如果程序写入了redzone区域，jemalloc会立即检测到并中止程序。
Guard Pages: jemalloc在堆的末尾添加了guard pages（保护页面），用于防止堆溢出到其他内存区域。如果程序试图访问guard page，操作系统会立即中止程序。
随机化: jemalloc对堆的布局进行随机化，以增加攻击的难度。攻击者很难预测堆的布局，从而难以构造有效的攻击payload。
清除已释放内存: jemalloc可以选择清除已释放的内存，以防止信息泄露和Use-After-Free漏洞。

jemalloc的代码示例 (配置)

jemalloc 可以通过环境变量或配置文件进行配置，以启用或禁用某些安全特性。例如，以下代码展示了如何通过环境变量启用 redzones 和清除已释放内存：

export MALLOC_CONF="opt.redzone:true,opt.zero:true"

opt.redzone:true: 启用 redzones。
opt.zero:true: 启用清除已释放内存。

jemalloc的优势

更高的安全性: 通过 redzones、guard pages 和随机化等机制，jemalloc 提供了更强的安全保障。
更好的性能: jemalloc 在许多场景下都比 ptmalloc2 具有更好的性能，尤其是在多线程环境中。
更好的内存利用率: jemalloc 可以更有效地利用内存，减少内存碎片。
更强的可扩展性: jemalloc 可以更好地适应大规模的应用程序。

jemalloc的局限性

更高的内存开销: redzones 和 guard pages 会增加内存开销。
更高的 CPU 开销: 清除已释放内存会增加 CPU 开销。
部署复杂性: 在某些系统中，可能需要手动安装和配置 jemalloc。

表格对比：ptmalloc2 vs jemalloc

特性	ptmalloc2	jemalloc
安全性	相对较低，容易受到堆漏洞攻击	相对较高，提供 redzones、guard pages 等安全机制
性能	一般	优秀
内存利用率	一般	优秀
可扩展性	一般	优秀
内存开销	较低	较高
CPU 开销	较低	较高 (如果启用了清除已释放内存)
默认配置	许多 Linux 系统	需要手动安装和配置

在PHP扩展中使用jemalloc

在PHP扩展中使用jemalloc，你需要完成以下步骤：

安装 jemalloc: 在你的系统中安装 jemalloc。具体的安装方法取决于你的操作系统和发行版。例如，在 Debian/Ubuntu 系统中，你可以使用以下命令安装：
```
sudo apt-get install libjemalloc-dev
```
链接 jemalloc: 在编译你的 PHP 扩展时，需要将 jemalloc 链接到你的扩展中。这通常可以通过修改你的 config.m4 文件来实现。例如，你可以添加以下行到你的 config.m4 文件中：
```
PHP_ADD_LIBRARY(jemalloc)
```
配置 jemalloc: 你可以通过环境变量或配置文件来配置 jemalloc。例如，你可以在启动 PHP 时设置 MALLOC_CONF 环境变量：
```
export MALLOC_CONF="opt.redzone:true,opt.zero:true"
php -f your_script.php
```

代码示例：PHP扩展中使用jemalloc

假设你有一个名为 my_extension 的 PHP 扩展，并且你已经完成了上述步骤。以下代码示例展示了如何在你的扩展中使用 jemalloc：

// my_extension.c
#ifdef HAVE_CONFIG_H
#include "config.h"
#endif

#include "php.h"
#include "php_ini.h"
#include "ext/standard/info.h"
#include "php_my_extension.h"

// 引入 jemalloc 头文件 (如果需要直接调用 jemalloc 函数)
// #include <jemalloc/jemalloc.h>

PHP_FUNCTION(my_malloc) {
  size_t size;
  char *ptr;

  if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS() TSRMLS_CC, "l", &size) == FAILURE) {
    RETURN_NULL();
  }

  // 使用 emalloc 分配内存 (PHP 的内存管理函数，底层可能使用 jemalloc)
  ptr = emalloc(size);

  if (ptr == NULL) {
    RETURN_NULL();
  }

  RETURN_RES(zend_register_resource(ptr, le_my_extension));
}

PHP_FUNCTION(my_free) {
  zval *res;
  char *ptr;
  zend_resource *rsrc;

  if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS() TSRMLS_CC, "r", &res) == FAILURE) {
    RETURN_FALSE;
  }

  rsrc = zend_fetch_resource(Z_RES_P(res), MY_EXTENSION_RESOURCE_NAME, le_my_extension);

  if (rsrc == NULL) {
    RETURN_FALSE;
  }

  ptr = (char *)rsrc->ptr;

  // 使用 efree 释放内存 (PHP 的内存管理函数，底层可能使用 jemalloc)
  efree(ptr);
  zend_list_close(Z_RES_P(res));

  RETURN_TRUE;
}

PHP_MINIT_FUNCTION(my_extension) {
  le_my_extension = zend_register_list_destructors_ex(resource_destroy, NULL, MY_EXTENSION_RESOURCE_NAME, module_number);
  return SUCCESS;
}

zend_function_entry my_extension_functions[] = {
  PHP_FE(my_malloc,  NULL)
  PHP_FE(my_free,  NULL)
  PHP_FE_END
};

zend_module_entry my_extension_module = {
  STANDARD_MODULE_HEADER,
  "my_extension",
  my_extension_functions,
  PHP_MINIT(my_extension),
  NULL,
  NULL,
  NULL,
  NULL,
  PHP_MY_EXTENSION_VERSION,
  STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};

#ifdef COMPILE_DL_MY_EXTENSION
ZEND_GET_MODULE(my_extension)
#endif

在这个例子中，my_malloc 函数使用 emalloc 分配内存，my_free 函数使用 efree 释放内存。emalloc 和 efree 是 PHP 的内存管理函数，它们底层可能会使用 jemalloc，这取决于你的 PHP 配置。

注意： 在 PHP 扩展中，通常建议使用 PHP 提供的内存管理函数（例如 emalloc、efree、safe_emalloc 等），而不是直接调用 jemalloc 或 ptmalloc2 的函数。PHP 的内存管理函数可以更好地与 PHP 的垃圾回收机制集成，并提供一些额外的安全保障。

考虑安全边界，综合选择适合的堆分配器

在选择堆分配器时，需要综合考虑性能、安全性和内存利用率等因素。

安全性至上: 如果你的扩展需要处理敏感数据或者运行在安全性要求较高的环境中，那么 jemalloc 是一个更好的选择。
性能敏感: 如果你的扩展对性能要求非常高，并且你可以接受一定的安全风险，那么 ptmalloc2 可能是一个可行的选择。但是，你需要采取额外的安全措施来保护你的扩展免受堆漏洞的攻击。
平衡考量: 在大多数情况下，jemalloc 是一个更好的选择，因为它在性能和安全性之间取得了很好的平衡。

此外，你还需要考虑你的 PHP 环境的配置。如果你的 PHP 环境已经配置为使用 jemalloc，那么你可以直接使用 jemalloc。如果你的 PHP 环境默认使用 ptmalloc2，那么你需要手动安装和配置 jemalloc。

结论：安全是首要考量，jemalloc是更安全的选择

总而言之，选择堆分配器需要在性能和安全性之间进行权衡。虽然ptmalloc2在性能方面可能略有优势，但jemalloc在安全性方面提供了更强的保障。对于PHP扩展开发来说，安全性通常是首要考量，因此jemalloc是更安全的选择。在实际应用中，开发者应根据自身的需求和环境，综合考虑各种因素，做出明智的选择。

在安全边界上不断探索

堆分配器的选择对于PHP扩展的安全性至关重要。ptmalloc2与jemalloc在安全模型上存在显著差异，使得jemalloc在防范堆溢出、释放后使用等漏洞方面更具优势。通过在PHP扩展中集成jemalloc，开发者可以构建更安全、更稳定的应用程序。在不断变化的威胁环境中，持续关注和采用最新的安全技术是至关重要的。