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@changedi 2016-07-04T03:17:25.000000Z 字数 8838 阅读 4439

Java安全——安全管理器、访问控制器和类装载器

Java 安全



安全管理器:SecurityManager

安全管理器在Java语言中的作用就是检查操作是否有权限执行。是Java沙箱的基础组件。我们一般所说的打开沙箱,也是加-Djava.security.manager选项。

其实日常的很多API都涉及到安全管理器,它的工作原理一般是:
1. 请求Java API
2. Java API使用安全管理器判断许可权限
3. 通过则顺序执行,否则抛出一个Exception。

比如在之前的“理解沙箱”这一章提到的,开启沙箱后,会限制文件访问,那这个代码是如何的呢?看下源码:

  1. public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException {
  2. String name = (file != null ? file.getPath() : null);
  3. SecurityManager security = System.getSecurityManager();
  4. if (security != null) {
  5. security.checkRead(name);
  6. }
  7. if (name == null) {
  8. throw new NullPointerException();
  9. }
  10. if (file.isInvalid()) {
  11. throw new FileNotFoundException("Invalid file path");
  12. }
  13. fd = new FileDescriptor();
  14. fd.attach(this);
  15. path = name;
  16. open(name);
  17. }

比较清晰的API会先去获取安全管理器,如果开启沙箱,则安全管理器不是空,检查checkRead(name)。而checkRead方法最内层的实现,其实利用了后面要说的访问控制器。

具体点,我们看下SecurityManager的主要方法列表:

  1. checkAccept(String, int)
  2. checkAccess(Thread)
  3. checkAccess(ThreadGroup)
  4. checkAwtEventQueueAccess()
  5. checkConnect(String, int)
  6. checkConnect(String, int, Object)
  7. checkCreateClassLoader()
  8. checkDelete(String)
  9. checkExec(String)
  10. checkExit(int)
  11. checkLink(String)
  12. checkListen(int)
  13. checkMemberAccess(Class<?>, int)
  14. checkMulticast(InetAddress)
  15. checkMulticast(InetAddress, byte)
  16. checkPackageAccess(String)
  17. checkPackageDefinition(String)
  18. checkPermission(Permission)
  19. checkPermission(Permission, Object)
  20. checkPrintJobAccess()
  21. checkPropertiesAccess()
  22. checkPropertyAccess(String)
  23. checkRead(FileDescriptor)
  24. checkRead(String)
  25. checkRead(String, Object)
  26. checkSecurityAccess(String)
  27. checkSetFactory()
  28. checkSystemClipboardAccess()
  29. checkTopLevelWindow(Object)
  30. checkWrite(FileDescriptor)
  31. checkWrite(String)

都是check方法,分别囊括了文件的读写删除和执行、网络的连接和监听、线程的访问、以及其他包括打印机剪贴板等系统功能。而这些check代码也基本横叉到了所有的核心Java API上。

安全管理器可以自定义,作为核心API调用的部分,我们可以自己为自己的业务定制安全管理逻辑。举个例子如下:

  1. public class SecurityManagerTest {
  2. static class MySM extends SecurityManager {
  3. public void checkExit(int status) {
  4. throw new SecurityException("no exit");
  5. }
  6. }
  7. public static void main(String[] args) {
  8. MySM sm = new MySM();
  9. System.out.println(System.getSecurityManager());
  10. System.setSecurityManager(sm);//注释掉测一下
  11. System.exit(0);
  12. }
  13. }

注释掉代码中的注释行,系统打印null,然后正常退出。当我们打开注释,并且自己扩展一个SecurityManager——MySM,它做的事情很简单,就是覆盖了checkExit方法,在系统退出时抛出一个“no exit”的异常。再执行,结果变成了

  1. null
  2. Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: no exit
  3. at com.taobao.cd.security.SecurityManagerTest$MySM.checkExit(SecurityManagerTest.java:7)
  4. at java.lang.Runtime.exit(Runtime.java:107)
  5. at java.lang.System.exit(System.java:971)
  6. at com.taobao.cd.security.SecurityManagerTest.main(SecurityManagerTest.java:16)

显然,安全管理器生效了。

访问控制器:AccessController

揭开沙箱面纱,第一步是安全管理器,那么第二步就是访问控制器了。因为沙箱的所有check方法实现,都是基于AccessController的。

组成

要了解AccessController,需要理解4个概念:代码源、权限、策略和保护域。

代码源CodeSource

CodeSource就是一个简单的类,用来声明从哪里加载类。

权限Permission

Permission类是AccessController处理的基本实体。Permission类本身是抽象的,它的一个实例代表一个具体的权限。权限有两个作用,一个是允许Java API完成对某些资源的访问。另一个是可以为自定义权限提供一个范本。权限包含了权限类型、权限名和一组权限操作。具体可以看看BasicPermission类的代码。典型的也可以参看FilePermission的实现。

策略Policy

策略是一组权限的总称,用于确定权限应该用于哪些代码源。话说回来,代码源标识了类的来源,权限声明了具体的限制。那么策略就是将二者联系起来,策略类Policy主要的方法就是getPermissions(CodeSource)和refresh()方法。Policy类在老版本中是abstract的,且这两个方法也是。在jdk1.8中已经不再有abstract方法。这两个方法也都有了默认实现。

在JVM中,任何情况下只能安装一个策略类的实例。安装策略类可以通过Policy.setPolicy()方法来进行,也可以通过java.security文件里的policy.provider=sun.security.provider.PolicyFile来进行。jdk1.6以后,Policy引入了PolicySpi,后续的扩展基于SPI进行。

保护域ProtectionDomain

保护域可以理解为代码源和相应权限的一个组合。表示指派给一个代码源的所有权限。看概念,感觉和策略很像,其实策略要比这个大一点,保护域是一个代码源的一组权限,而策略是所有的代码源对应的所有的权限的关系。

JVM中的每一个类都一定属于且仅属于一个保护域,这由ClassLoader在define class的时候决定。但不是每个ClassLoader都有相应的保护域,核心Java API的ClassLoader就没有指定保护域,可以理解为属于系统保护域。

AccessController

了解了组成,再回头看AccessController。这是一个无法实例化的类——仅仅可以使用其static方法。AccessController最重要的方法就是checkPermission()方法,作用是基于已经安装的Policy对象,能否得到某个权限。

回到理解沙箱那一篇文章里的例子,FileInputStream的构造方法就利用SecurityManager来checkRead。而SecurityManager的checkRead方法则

  1. public void checkPermission(Permission perm) {
  2. java.security.AccessController.checkPermission(perm);
  3. }

这样来检查权限。

然而,AccessController的使用还是重度关联类加载器的。如果都是一个类加载器且都从一个保护域加载类,那么你构造的checkPermission的方法将正常返回。

当使用了其他类加载器或者使用了Java扩展包时,这种情况比较普遍。AccessController另一个比较实用的功能是doPrivilege(授权)。假设一个保护域A有读文件的权限,另一个保护域B没有。那么通过AccessController.doPrivileged方法,可以将该权限临时授予B保护域的类。而这种授权是单向的。也就是说,它可以为调用它的代码授权,但是不能为它调用的代码授权。

类装载器ClassLoader

ClassLoader对安全模型有三方面的影响:第一,可以结合JVM定义名称空间,以保护Java语言本身安全特性的完整性。第二,在必要时调用SecurityManager保证代码在定义或者访问类时有适当的权限。第三,建立了权限与类对象之间的映射,这样AccessController就知道哪些类拥有哪些权限了。而这可以绕过建立自定义Policy类,通过自定义ClassLoader并在其中定义类权限而实现。

先来说说名称空间,其实就是包名,但是不同的是,不同的ClassLoader可以装在相同包名的类,而这时,其实对于每个ClassLoader,有一个自己的名字空间。为啥这么干?显然啊,就不说包冲突这事了,从安全角度看,你冒名顶替个com.sun.xx咋办?肯定得按照ClassLoader来分。从不同网站加载的Applet类,就是不同的ClassLoader来做。

老生常谈类加载器

类加载器是个层次结构,最基础的是系统类加载器,下面有很多子类比如URLClassLoader。加载一个类时,以委托的形式逐层询问——总结来就一句话:父亲优先。爹能加载,爹先来,不行再由儿子上。一旦为一个域的类定义类加载器,那么其他域的类加载器的整个祖先链路上不包含对应域,也就隔离了彼此的类加载。

类装载器加载类时要做哪些事

总的来说,需要完成以下工作:
1, 询问安全管理器是否允许访问当前处理的类。如果不行,抛一个安全异常。这一步可选,一般在loadClass()方法开始处实现。对应accessClassInPackage权限。
2, 如果类装载器已经载入了此类,它将寻找以前定义的类对象,并返回该对象。这一步在loadClass()内部实现。
3,否则,类装载器将询问其父亲,递归查看父类装载器是否知道如何载入此类。因此总会是系统类加载器最先加载,从而避免了核心Java API中的类被其他自定义的类冒充。这一步也在loadClass()里实现。
2和3对应代码如下

  1. protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
  2. throws ClassNotFoundException
  3. {
  4. synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
  5. // First, check if the class has already been loaded
  6. Class<?> c = findLoadedClass(name);
  7. if (c == null) {
  8. long t0 = System.nanoTime();
  9. try {
  10. if (parent != null) {
  11. c = parent.loadClass(name, false);
  12. } else {
  13. c = findBootstrapClassOrNull(name);
  14. }
  15. } catch (ClassNotFoundException e) {
  16. // ClassNotFoundException thrown if class not found
  17. // from the non-null parent class loader
  18. }
  19. if (c == null) {
  20. // If still not found, then invoke findClass in order
  21. // to find the class.
  22. long t1 = System.nanoTime();
  23. c = findClass(name);
  24. // this is the defining class loader; record the stats
  25. sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
  26. sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
  27. sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
  28. }
  29. }
  30. if (resolve) {
  31. resolveClass(c);
  32. }
  33. return c;
  34. }
  35. }

4,询问安全管理器是否允许程序创建当前处理的类。如果不行,则抛出一个安全异常。这一步可选,如果实现,则需要在findClass()的开始处完成。这一步不是在操作开始时完成,而是在询问父类装载器之后进行。这一步对应为defineClassInPackage权限。
5,向一个字节数组中读入类文件。读取文件以及创建字节数组的方式因类加载器不同而不同。在findClass()中完成。
6,为该类创建合适的保护域。保护域可以来自默认安全模型(即从策略文件中得到),也可以由类加载器扩展。还有一种方法是可以创建一个代码源对象,并采用其保护域定义。这一步也在findClass()中完成。
7,在findClass()方法中,通过调用defineClass()方法,可以由字节码构造一个Class对象。如果使用的是第6步中的代码源,则需要调用getPermissions()方法查找与代码源相关的权限。defineClass()方法还保证了字节码必须通过字节码校验器的检查。
8,最后还需要解析该类。即它所直接引用的类也应由当前类加载器找到。只有直接引用的才算,作为实例变量、方法参数或局部变量来使用的类不算。这一步在loadClass()中完成。对应上面代码中的resovleClass()。

以URLClassLoader举例。

1,对应的代码如下:

  1. public final Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
  2. throws ClassNotFoundException
  3. {
  4. // First check if we have permission to access the package. This
  5. // should go away once we've added support for exported packages.
  6. SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
  7. if (sm != null) {
  8. int i = name.lastIndexOf('.');
  9. if (i != -1) {
  10. sm.checkPackageAccess(name.substring(0, i));
  11. }
  12. }
  13. return super.loadClass(name, resolve);
  14. }

URLClassLoader的newInstance()方法会构造一个内部的工厂加载器类。这个类的loadClass()方法做了checkPackageAccess的事情。
2,3 两步与超级父类ClassLoader相同。就是上面ClassLoader的loadClass()做的事情。
4,5,6,7 四个步骤涉及到findClass()方法,URLClassLoader覆盖了findClass()方法,但是最新版的jdk,其实将这几个步骤做的事情都在defineClass()里做掉了。里面的逻辑实现如下:

  1. protected Class<?> findClass(final String name)
  2. throws ClassNotFoundException
  3. {
  4. final Class<?> result;
  5. try {
  6. result = AccessController.doPrivileged(
  7. new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
  8. public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
  9. String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
  10. Resource res = ucp.getResource(path, false);
  11. if (res != null) {
  12. try {
  13. return defineClass(name, res);
  14. } catch (IOException e) {
  15. throw new ClassNotFoundException(name, e);
  16. }
  17. } else {
  18. return null;
  19. }
  20. }
  21. }, acc);
  22. } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
  23. throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
  24. }
  25. if (result == null) {
  26. throw new ClassNotFoundException(name);
  27. }
  28. return result;
  29. }

defineClass()的逻辑:

  1. /*
  2. * Defines a Class using the class bytes obtained from the specified
  3. * Resource. The resulting Class must be resolved before it can be
  4. * used.
  5. */
  6. private Class<?> defineClass(String name, Resource res) throws IOException {
  7. long t0 = System.nanoTime();
  8. int i = name.lastIndexOf('.');
  9. URL url = res.getCodeSourceURL();
  10. if (i != -1) {
  11. String pkgname = name.substring(0, i);
  12. // Check if package already loaded.
  13. Manifest man = res.getManifest();
  14. definePackageInternal(pkgname, man, url);
  15. }
  16. // Now read the class bytes and define the class
  17. java.nio.ByteBuffer bb = res.getByteBuffer();
  18. if (bb != null) {
  19. // Use (direct) ByteBuffer:
  20. CodeSigner[] signers = res.getCodeSigners();
  21. CodeSource cs = new CodeSource(url, signers);
  22. sun.misc.PerfCounter.getReadClassBytesTime().addElapsedTimeFrom(t0);
  23. return defineClass(name, bb, cs);
  24. } else {
  25. byte[] b = res.getBytes();
  26. // must read certificates AFTER reading bytes.
  27. CodeSigner[] signers = res.getCodeSigners();
  28. CodeSource cs = new CodeSource(url, signers);
  29. sun.misc.PerfCounter.getReadClassBytesTime().addElapsedTimeFrom(t0);
  30. return defineClass(name, b, 0, b.length, cs);
  31. }
  32. }

而这里面所有的defineClass都在ClassLoader这个超级父类里做了实现。

总结

通常的Java的安全性,都是从类加载器、安全管理器和访问控制器之间的关系考虑的。一般来说类加载器的作用更重要。
如果需要灵活的安全策略,往往要自定义类加载器。自定义类加载器允许在定义类时调整安全策略。这与实现一个新的Policy类相似。一般认为自定义类加载器会比修改一个Policy类要容易。

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