Java反射与Fastjson的危险反序列化

Preface

在前文中，我们介绍了 Java 的基础语法和特性和 fastjson 的基础用法，本文我们将深入学习fastjson的危险反序列化以及预期相关的 Java 概念。

什么是Java反射？

在前文中，我们有一行代码 Computer macBookPro = JSON.parseObject(preReceive,Computer.class);

这行代码是什么意思呢？看起来好像就是我们声明了一个名为 macBookPro 的 Computer 类，它由 fastjson 的 parseObject 方法将 preReceive 反序列化而来，但 Computer.class 是什么呢？

在 Java 中，Computer.class是一个引用，它表示了 Computer 的字节码对象（Class对象），这个对象被广泛应用于反射、序列化等操作中。那么为什么 parseObject 需要这个引用呢？首先 fastjson 是不了解类中的情况的，因此它需要一个方法来动态的获得类中的属性，那么 Java 的反射机制提供了这个功能。

Java reflect demo

我们先看一个 Java 反射的 Demo。

package org.example;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Parameter;

public class JavaReflectDemo {
    public static void main(String[] args){

        // 获取Car类的Class对象，用于后续的反射操作
        Class<?> temp = Car.class;

        // 获得Car类的所有属性与方法和构造方法
        Field[] fields = temp.getDeclaredFields();
        Method[] methods = temp.getDeclaredMethods();
        Constructor<?>[] constructors = temp.getDeclaredConstructors();

        // 通过循环遍历获得类属性
        for (Field field : fields){
            System.out.println("Field: " + field.getName());
        }

        // 通过循环遍历获得方法名
        for (Method method : methods ) {
            System.out.println("Methods: " + method.getName());
        }

        // 通过双循环获得类的构造方法及其方法所需要的参数的数据类型
        for (Constructor<?> constructor : constructors) {
            System.out.println("Constructor：" + constructor.getName());
            Class<?>[] constructorParameterType = constructor.getParameterTypes();
            for (Class<?> parameterType : constructorParameterType) {
                System.out.println("Parameter type is：" + parameterType.getName());
            }
        }

        // 通过反射调用类方法
    }
    public static class Car{
        private int carLength;
        public String carName;
        private int carPrice = 50000;
        public Car(int carLength, String carName,int carPrice){
            this.carLength = carLength;
            this.carName = carName;
            this.carPrice = carPrice;
        }
        private void CarAnnounce() {
            System.out.println("China Car! Best Car!");
            System.out.println("The Car Price is " + this.carPrice);
            System.out.println("The Car Length is " + this.carLength);
        }
        private void CarType(){
            System.out.println("This function is still under development!");
        }
    }
}

反射调用类变量

上述代码中，我们有一个公共静态类 Car ，其中包含了私有和公共方法和属性，在主函数中通过反射获取了类的属性和方法以及构造方法，我们逐行分析代码。

• Class<?> temp = Car.class; 这行代码用于获取 Car 的 Class 对象，Class 对象是整个反射操作的起点。那么 Class<?> 是什么意思呢？其实在这里这个问号指的是 temp 可以接收任意类型的类，我们也可以通过 Class<Car> 来接收 Class 对象。
• getDeclaredFields() 是 Java 的反射操作，通过 Class 对象获得类中所有的属性，包括私有属性，它返回一个 Field[] 对象，实际上是一个包含类中所有属性的数组，但它被特定为 Field[] 对象。
• getDeclaredMethods() 同理，获得类中所有的方法（但不包含构造方法），返回一个 Methods[] 数组。
• getDeclaredConstructors() 用于获得类中所有的构造方法，Constructor<?>[] 的含义是，Constructor 是个泛型类，它的定义是 Constructor<T> ，这意味着它适用于任何类型的构造方法，通过使用通配符 <?> 表示这个数组接收任何类的构造方法，也就是表示了constructors 这个数组可以用于存储任意类的任意构造方法。
• 获得了数组后，通过 Java 的 for-each 循环遍历数组并打印到屏幕。

运行结果如下。

反射调用类方法

简要将Demo中的代码修改如下。

// 通过循环遍历获得方法名

for (Method method : methods) {
	// 直接调用类的静态方法
	if (method.getName().equals("CarType")) {
   		method.invoke(null);
	}

    // 通过类的实例调用类方法
    if (method.getName().equals("CarAnnounce")){
    	Car tempCar = new Car(1000,"Richard's car");
        method.invoke(tempCar);

        // 通过反射获得类字段，并修改字段值重新调用方法
        Field field = temp.getDeclaredField("carPrice");
        field.setAccessible(true);
        field.set(tempCar, 99999);
        method.invoke(tempCar);
    }
	System.out.println("Methods: " + method.getName());
}

我们可以通过反射直接调用类的方法，method.invoke(类的实例, 参数, 多个参数用逗号隔开)，若是调用静态方法可以传递 null 代替类的实例，但如果调用的方法需要参数，我们需要严格得按照方法传入对应的参数。

我们还可以通过反射修改 private 属性，例如 Demo 中的 carPrice。运行结果如下。

我们将 carLength 使用 final 修饰符进行修饰，此时直接修改 carLength 会报错。如下图。

但通过反射我们可以修改 final 修饰符修饰后的属性。代码如下。

Field field2 = temp.getDeclaredField("carLength");
field2.setAccessible(true);

Field modifiers = field2.getClass().getDeclaredField("modifiers");
modifiers.setAccessible(true);
modifiers.setInt(field2, field2.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);

field2.set(tempCar, 7777);
method.invoke(tempCar);

我们来重点关注其中的操作，我们首先获取 carLength 的 Field 对象，并设置其为可读写的权限。

其次获取该对象的 modifiers 对象，它表示 carLength 被哪些修饰符所修饰。

重点是modifiers.setInt(field2, field2.getModifiers() & ~Modifier.FINAL) 我们逐步进行解析：

1. modifiers.setInt 对 modifiers 对象进行修改，也就是修改 carLength 的修饰符。
2. 首先传入实例，重点在其参数，这里实际是一个位操作，getmodifiers() 方法会返回当前对象的修饰符组合，它是由 Java Modifier 类中定义的值所组合起来的。见下图。

1. 那么 ~Modifier.FINAL 中的 ~ 是对该值取反，0x10 转换为二进制为 0001 0000 取反为 1110 1111，& 对其进行与操作，那么实际上就是在去除 FINAL 修饰符。
2. 最后将其结果修改 modifiers 对象，也就是去除了 FINAL 修饰符。

整段代码的执行结果如下。

反射执行命令

在 Java 中，有一个类叫做 java.lang.Runtime ，这个类有一个 exec 方法可以用于执行本地命令。一般情况下我们使用如下的方法执行命令。我们通过Runtime.getRuntime()方法获得实例，并创建新的Process对象，用于执行命令。

Runtime类是Java中的一个特殊类，它负责提供Java应用程序与运行时环境（Java虚拟机）的交互接口。它被设计为单例模式，确保整个应用程序中只有一个Runtime实例。这种设计决定了Runtime类无法被直接实例化。

package org.example;

public class ExecuteCommandDemo {
    public static void main(String[] args){
        try {
            // 创建Runtime对象
            Runtime temp = Runtime.getRuntime();
            Process process = temp.exec("calc.exe");

            // 等待命令执行完毕
            process.waitFor();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

而我们同样可以通过反射来执行命令。

首先获取Runtime类对象以便后续的反射操作，再从Runtime类中获取getRuntime方法，通过执行getRuntime方法获取实例，再从类中找到 exec 方法，但由于 exec 具有很多重载版本，我们指定使用接收字符串作为参数的方法。最后通过调用 exec 方法，执行命令。

package org.example;
import java.lang.reflect.Method;

public class ExecuteCommandDemo {
    public static void main(String[] args){
        try {
            Class <?> reflectExec = Class.forName("java.lang.Runtime");
            Method getruntimeMethod = reflectExec.getMethod("getRuntime");
            Object runtimeInstance = getruntimeMethod.invoke(null);
            Method execMethod = reflectExec.getMethod("exec", String.class);
            Process process = (Process) execMethod.invoke(runtimeInstance, "calc.exe");

            // 等待命令执行完毕
            process.waitFor();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Fastjson的危险反序列化

@type 是fastjson中的一个特殊注解，它告诉 fastjson 应该将 JSON 字符串转换成哪个 Java 类。这很容易出现安全问题。

我们来看下面这段代码，我们定义了一串json字符串，想要通过@type注解来将json字符串转化为java.lang.Runtime对象，但是 fastjson在 1.2.24 后默认禁用 autoType 的白名单设置，在默认情况下我们不能任意的将json字符串转化为指定的java类。

但通过 ParserConfig.getGlobalInstance().addAccept("java.lang") 我们可以在白名单中添加 java.lang 类。

后续的代码就是通过反序列化将其转换为对象（这里的Object.class是为了接收转换后的任意对象），再强制转换为Runtime对象，转换完成后就和正常调用java.lang.Runtime执行命令相同了。

package org.example;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.alibaba.fastjson.parser.ParserConfig;

public class FastjsonDangerousDeserialization {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        String json = "{\"@type\":\"java.lang.Runtime\"}";
        ParserConfig.getGlobalInstance().addAccept("java.lang");
        Runtime runtime = (Runtime) JSON.parseObject(json, Object.class);
        runtime.exec("calc.exe");
    }
}