java安全沙箱(一)之ClassLoader双亲委派机制
java是一种类型安全的语言,它有四类称为安全沙箱机制的安全机制来保证语言的安全性,这四类安全沙箱分别是:
本篇博客主要介绍“类加载体系”的基本原理;如需了解其它几类安全机制可以通过上面的博客链接进入查看。
简介
“类加载体系”及ClassLoader双亲委派机制。java程序中的 .java文件编译完会生成 .class文件,而 .class文件就是通过被称为类加载器的ClassLoader加载的,而ClassLoder在加载过程中会使用“双亲委派机制”来加载 .class文件,先上图:
看着图从上往下介绍:
BootStrapClassLoader:启动类加载器,该ClassLoader是jvm在启动时创建的,用于加载 $JAVA_HOME/jre/lib下面的类库(或者通过参数-Xbootclasspath指定)。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,开发者无法直接获取到启动类加载器的引用,所以不能直接通过引用进行操作。
ExtClassLoader:扩展类加载器,该ClassLoader是在sun.misc.Launcher里作为一个内部类ExtClassLoader定义的(即 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader),ExtClassLoader会加载 $JAVA_HOME/jre/lib/ext下的类库(或者通过参数-Djava.ext.dirs指定)。
AppClassLoader:应用程序类加载器,该ClassLoader同样是在sun.misc.Launcher里作为一个内部类AppClassLoader定义的(即 sun.misc.Launcher$AppClassLoader),AppClassLoader会加载java环境变量CLASSPATH所指定的路径下的类库,而CLASSPATH所指定的路径可以通过System.getProperty("java.class.path")获取;当然,该变量也可以覆盖,可以使用参数-cp,例如:java -cp 路径 (可以指定要执行的class目录)。
CustomClassLoader:自定义类加载器,该ClassLoader是指我们自定义的ClassLoader,比如tomcat的StandardClassLoader属于这一类;当然,大部分情况下使用AppClassLoader就足够了。
ClassLoader初始化源码
下面贴下jdk关于类加载的源码,上述四种类加载器中CustomClassLoader是用户自定义的,BootStrapClassLoader是jvm创建的,就不展示了;这里展示下AppClassLoader和ExtClassLoader的启动过程,前面介绍过,AppClassLoader和ExtClassLoader都是在sun.misc.Launcher里定义的,而我的sun.misc.Launcher没有源码,大家将就看看反编译的代码吧。如果想看sun.*包下的类源码,大家可以下载openjdk来查看。
public Launcher(){
ExtClassLoader extclassloader;
try{
extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
}
catch(IOException ioexception) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader");
}
try{
loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
}
catch(IOException ioexception1){
throw new InternalError("Could not create application class loader");
}
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
String s = System.getProperty("java.security.manager");
if(s != null){
SecurityManager securitymanager = null;
if("".equals(s) || "default".equals(s))
securitymanager = new SecurityManager();
else
try{
securitymanager = (SecurityManager)loader.loadClass(s).newInstance();
}
catch(IllegalAccessException illegalaccessexception) { }
catch(InstantiationException instantiationexception) { }
catch(ClassNotFoundException classnotfoundexception) { }
catch(ClassCastException classcastexception) { }
if(securitymanager != null)
System.setSecurityManager(securitymanager);
else
throw new InternalError((new StringBuilder()).append("Could not create SecurityManager: ").append(s).toString());
}
}
可以看到在Launcher构造函数的执行过程如下:
通过ExtClassLoader.getExtClassLoader()创建了ExtClassLoader;
通过AppClassLoader.getAppClassLoader(ExtClassLoader)创建了AppClassLoader,并将ExtClassLoader设为AppClassLoader的parent ClassLoader;
通过Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader)把AppClassLoader设为线程的上下文 ClassLoader;
根据jvm参数-Djava.security.manager创建安全管理器(安全管理器的相关内容会在后续博客安全管理器及Java API中介绍),此时jvm会设置系统属性"java.security.manager"为空字符串""。
再贴下ExtClassLoader源码:
public static ExtClassLoader getExtClassLoader()
throws IOException{
File afile[] = getExtDirs();
return (ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedExceptionAction(afile) {
public Object run() throws IOException{
int i = dirs.length;
for(int j = 0; j < i; j++)
MetaIndex.registerDirectory(dirs[j]);
return new ExtClassLoader(dirs);
} final File val$dirs[]; {
dirs = afile;
super();
}
});
PrivilegedActionException privilegedactionexception;
privilegedactionexception;
throw (IOException)privilegedactionexception.getException();
} private static File[] getExtDirs()
{
String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
File afile[];
if(s != null)
{
StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
int i = stringtokenizer.countTokens();
afile = new File[i];
for(int j = 0; j < i; j++)
afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken()); } else
{
afile = new File[0];
}
return afile;
}
反编译的源码,大家将就看下;这里大家关注下getExtDirs()这个方法,它会获取属性"java.ext.dirs"所对应的值,然后通过系统分隔符分割,然后加载分割后的字符串对应的目录作为ClassLoader的类加载库。
下面看看AppClassLoader源码:
public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader) throws IOException{
String s = System.getProperty("java.class.path");
File afile[] = s != null ? Launcher.getClassPath(s) : new File[0];
return (AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction(s, afile, classloader) {
public Object run() {
URL aurl[] = s != null ? Launcher.pathToURLs(path) : new URL[0];
return new AppClassLoader(aurl, extcl);
} final String val$s;
final File val$path[];
final ClassLoader val$extcl; {
s = s1;
path = afile;
extcl = classloader;
super();
}
});
}
首先获取"java.class.path"对应的属性,并转换为URL[]并设置为ClassLoader的类加载库,注意这里的方法入参classloader就是ExtClassLoader,在创AppClassLoader会传入ExtClassLoader作为parent ClassLoader。
上面就是ClassLoader的启动和初始化过程,后面会把loader作为应用程序的默认ClassLoader使用,看下面的测试用例:
package com.jvm.study.classload; public class Test {
public static void main(String... args) {
ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();
System.err.println("loader:"+loader);
while (loader != null) {
loader = loader.getParent();
System.err.println("in while:"+loader);
}
}
}
可以看到ClassLoader的层次结构,输出结果为:
ClassLoader双亲委派机制源码
前面谈到了ClassLoader的几类加载器,而ClassLoader使用双亲委派机制来加载class文件的。
ClassLoader的双亲委派机制是这样的(这里先忽略掉自定义类加载器CustomClassLoader):
当AppClassLoader加载一个class时,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
当ExtClassLoader加载一个class时,它首先也不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
如果BootStrapClassLoader加载失败(例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class),会使用ExtClassLoader来尝试加载;
若ExtClassLoader也加载失败,则会使用AppClassLoader来加载,如果AppClassLoader也加载失败,则会报出异常ClassNotFoundException。
下面贴下ClassLoader的loadClass(String name, boolean resolve)源码:
protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
// First, check if the class has already been loaded
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
c = findClass(name);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
代码很明朗:首先找缓存(findLoadedClass),没有的话就判断有没有parent,有的话就用parent来递归的loadClass,然而ExtClassLoader并没有设置parent,则会通过findBootstrapClassOrNull来加载class,而findBootstrapClassOrNull则会通过JNI方法”private native Class findBootstrapClass(String name)“来使用BootStrapClassLoader来加载class。
然后如果parent未找到class,则会调用findClass来加载class,findClass是一个protected的空方法,可以覆盖它以便自定义class加载过程。
另外,虽然ClassLoader加载类是使用loadClass方法,但是鼓励用 ClassLoader 的子类重写 findClass(String),而不是重写loadClass,这样就不会覆盖了类加载默认的双亲委派机制。
双亲委派机制为什么安全
前面谈到双亲委派机制是为了安全而设计的,但是为什么就安全了呢?举个例子,ClassLoader加载的class文件来源很多,比如编译器编译生成的class、或者网络下载的字节码。而一些来源的class文件是不可靠的,比如我可以自定义一个java.lang.Integer类来覆盖jdk中默认的Integer类,例如下面这样:
package java.lang; /**
* hack
*/
public class Integer {
public Integer(int value) {
System.exit(0);
}
}
初始化这个Integer的构造器是会退出JVM,破坏应用程序的正常进行,如果使用双亲委派机制的话该Integer类永远不会被调用,以为委托BootStrapClassLoader加载后会加载JDK中的Integer类而不会加载自定义的这个,可以看下下面这测试个用例:
public static void main(String... args) {
Integer i = new Integer(1);
System.err.println(i);
}
执行时JVM并未在new Integer(1)时退出,说明未使用自定义的Integer,于是就保证了安全性。
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