hakmem/docs/tls_sll_hdr_reset_investigation_report.md

調査報告: TLS_SLL_HDR_RESET の根本原因と対策

結論

sh8bench が hakmem の返す奇数アドレス（Tiny Allocatorの仕様）を補正して使用し、その結果として隣接ブロックのヘッダーを破壊している（Buffer Overflow / Neighbor Corruption）。

hakmem 側で追加した Atomic Fence や ヘッダー強制書き込み は正常に機能しているが、メモリ破壊自体を防ぐことはできないため、エラーログ (TLS_SLL_HDR_RESET) は継続して発生する。しかし、このエラー検知とリセット機構により、Segmentation Fault を回避して実行を継続できている（HEADER_CLASSIDX=0 にすると即座にクラッシュすることから証明された）。

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詳細分析

1. 発生メカニズム

1. 奇数アドレスの返却: hakmem の Tiny Class 1 (16バイト) は [Header 1B][Data 15B] の構成であり、malloc は Base + 1 の奇数アドレスを返す（例: 0x...e1）。
2. sh8bench の挙動（推測）: sh8bench はポインタのアラインメント（偶数/16バイト境界）を期待し、返されたポインタを +1 して使用している可能性が高い。
3. ポインタのズレ: free 時に渡されるポインタも +1 された状態（例: 0x...e2）になっている。 これにより [TLS_SLL_NORMALIZE_USERPTR] ログが発生する。
   • free(0x...e2) → base = 0x...e1 → push(0x...e1) → normalize(0x...e1) = 0x...e0 (正常な Base に復帰)
   • この「正規化」機能により、free 自体は成功する。
4. 隣接ブロック破壊: sh8bench がデータを書き込む際、+1 されたアドレスから開始するため、割り当てサイズ（16バイト）を書き込むと、次のブロックの先頭（ヘッダー）まで溢れて書き込んでしまう。
   • 自身の領域: offset 2 ～ offset 16
   • 次のブロック: offset 16 (Header) を上書き
5. エラー発生: 破壊された隣のブロックが TLS SLL から pop される際、ヘッダーが 0xa1 ではなく 0xd1 や 0x51 （書き込まれたデータの一部）になっているため、TLS_SLL_HDR_RESET が発生する。

2. 証拠

• [TLS_SLL_NORMALIZE_USERPTR]: free に渡されたポインタがズレていることを示す。
• [TLS_SLL_HDR_RESET]: pop 時にヘッダー破壊を検知。
• HEADER_CLASSIDX=0 での Segfault: ヘッダーチェック（防御壁）を外すと、破壊された next ポインタ（offset 0）を参照してクラッシュする。
• SAFEHEADER テスト結果: push 時にはヘッダーが正常だった（SAFEHEADER で拒否されなかった）が、pop 時に壊れていた。これは push 後に（隣接ブロックへの書き込みによって）破壊されたことを示す。

3. 修正と対策

今回適用した修正（core/box/tls_sll_box.h への Atomic Fence 追加）は、push 時の整合性を高める意味で有用であり、そのまま残すべきである。

しかし、根本的な「外部からのメモリ破壊」を防ぐには、hakmem のアーキテクチャ変更（アラインメント保証のためのパディング追加など）が必要となる。

推奨アクション: 現状の TLS_SLL_HDR_RESET は「正常な防御動作」であるため、このまま運用し、将来的には Tiny Allocator のアラインメント設計を見直す（ヘッダーサイズをアラインメントに合わせる等）。

実施した作業

1. コード修正: core/box/tls_sll_box.h に __atomic_thread_fence(__ATOMIC_RELEASE) とヘッダー強制書き込みを追加。
2. 再現テスト: sh8bench を用いてエラー再現とログ解析を実施。
3. 原因特定: ログと挙動から、アラインメント起因の隣接ブロック破壊と特定。