实例分析JVM安全体系：双亲委派、命名空间、保护域、策略

在了解双亲委派模型之前，先了解一下类加载器的概念：

1.双亲委派

类的加载将使用双亲委派的方式，注意这里的双亲关系并非通过继承来实现，而是加载器之间指定或默认的委托加载关系，可以看到在/java/lang/ClassLoader.java中，通过ClassLoader的构造方法显式指定了其父加载器，而若没有指定父加载器，那么将会把系统类加载器AppClassLoader作为默认的父加载器

private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {  this.parent = parent;  //... } protected ClassLoader() {  //getSystemClassLoader()  this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader()); } 

加载器对类的加载调用loadClass()方法实现：

 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             // 该类没有被加载  8             if (c == null) {   9                 long t0 = System.nanoTime(); 10                 try { 11                     if (parent != null) { 12                     // 先交由父加载器尝试加载 13                         c = parent.loadClass(name, false); 14                     } else { 15                     // 父加载器为空，即为BootstrapClassLoader,那么查看启动类中是否有该类 16                         c = findBootstrapClassOrNull(name); 17                     } 18                 } catch (ClassNotFoundException e) { 19                     // ClassNotFoundException thrown if class not found 20                     // from the non-null parent class loader 21                 } 22                 //父类无法加载该类，则由自己尝试加载 23                 if (c == null) { 24                     // If still not found, then invoke findClass in order 25                     // to find the class. 26                     long t1 = System.nanoTime(); 27                     c = findClass(name); 28  29                     // this is the defining class loader; record the stats 30                     sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); 31                     sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); 32                     sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); 33                 } 34             } 35             if (resolve) { 36                 resolveClass(c); 37             } 38             return c; 39         } 40     }

但是仅仅依赖双亲委派是远远不够的，假设这个用户自定义的类加载器试图加载一个叫做“java.lang.Bomb”的危险类，而父类加载器无法加载该类，那么加载工作将由用户定义的加载器负责实现。由于一个类的同一包内的类(和其子类)可以访问其protected成员，这个“java.lang.Bomb”则可能访问可信任类的一些敏感信息，所以就必须将这个类与可信任类的访问域隔离，Java虚拟机只把这样彼此访问的特殊权限授予由同一个类加载器加载的同一包内的类型，这样一个由同一个类加载器加载的、属于同一个包的多个类型集合称为 运行时包 。

2.命名空间

类加载体系为不同类加载器加载的类提供不同的命名空间，同一命名空间内的类可以互相访问，不同命名空间的类不知道彼此的存在(除非显式提供访问机制)。同一类可以再不同的命名空间内，但无法在同一命名空间内重复出现。

命名空间是这样定义的：实际完成加载类的工作的加载器为定义类加载器，而加载的双亲委托路径上的所有加载器为初始类加载器，某个加载器的命名空间就是所有以该加载器为初始类加载器的类所组成。

可以预见，子加载器的命名空间包括其父/祖先加载器的命名空间和只有自己才可以加载的类所组成。根据加载体系结构的安全机制，同一命名空间内的类可以互相访问，所以父加载器所加载的类不一定可以访问子加载器所加载的类，但子加载器所加载的类必然可以访问父加载器加载的类。父加载器加载的类就好像小箱子，子加载器加载的类可能用到父加载器加载的类，就像一个大箱子，只能把小箱子放进大箱子，而不能反过来做(当然显式的访问机制除外)

以自己实现的类加载器为例：

  1 package com.ice.classloader;   2    3    4 import java.io.ByteArrayOutputStream;   5 import java.io.File;   6 import java.io.FileInputStream;   7 import java.io.FileNotFoundException;   8 import java.io.IOException;   9 import java.io.InputStream;  10   11 public class MyClassLoader extends ClassLoader {  12   13     private String name;    //加载器名称  14     private String path = "E://WorkSpace//ClassLoaderTest//";  //加载路径  15     private static final String HOME = "E://WorkSpace//ClassLoaderTest//";  16     private final String classFileType = ".class";   17   18     public MyClassLoader(String name) {  19         super();   20         this.name = name;  21     }  22   23     public MyClassLoader(ClassLoader parent, String name) {  24         super(parent);   25         this.name = name;  26     }  27   28     @Override  29     public String toString() {  30         return this.name;  31     }  32   33     public String getPath() {  34         return path;  35     }  36   37     public void setPath(String path) {  38         this.path = path;  39     }  40   41     @Override  42     public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  43         byte[] data = this.loadClassData(name);  44         if(data == null)  45             throw new ClassNotFoundException();  46         return this.defineClass(name, data, 0, data.length);  47   48     }  49   50     private byte[] loadClassData(String name) {  51   52         InputStream is = null;  53         byte[] data = null;  54         ByteArrayOutputStream baos = null;  55 //        System.out.println("  classloader:" + this.name + " try to load");  56         try {  57             //类名转化为路径  58             name = name.replace(".", "//");  59             is = new FileInputStream(new File(path + name + classFileType));  60   61             baos = new ByteArrayOutputStream();  62             int ch = 0;  63             while (-1 != (ch = is.read())) {  64   65                 baos.write(ch);  66             }  67   68             data = baos.toByteArray();  69         }  70         catch (FileNotFoundException e) {  71 //            e.printStackTrace();  72             return null;  73         }  74         catch (IOException ioe) {  75             ioe.printStackTrace();  76       }  77         finally {  78             try {  79                 is.close();  80                 baos.close();  81             }  82             catch (Exception e2) {  83             }  84         }  85         return data;  86     }  87   88   89     public static void main(String[] args) throws Exception {  90         //假定的系统加载器  91         MyClassLoader father = new MyClassLoader("father");  92         father.setPath(HOME + "syslib//");  93   94         MyClassLoader child = new MyClassLoader(father, "child");  95         child.setPath(HOME + "ext//");  96   97         MyClassLoader user = new MyClassLoader("user");  98         user.setPath(HOME + "usr//");  99         System.out.println("-------------test parent--------------"); 100         //测试父加载器关系 101         traverseParent(child); 102         System.out.println("-------------test load begin from child--------------"); 103         //测试加载 104         test(child); 105         //测试命名空间 106         System.out.println("-------------test namespace--------------"); 107         testNameSpace(user); 108  109     } 110  111     public static void traverseParent(ClassLoader loader) throws Exception{ 112         if(loader == null) return; 113         System.out.println("travase classloader:" + loader.toString()); 114         while(loader.getParent() != null){ 115             System.out.println(loader.getParent()); 116             loader = loader.getParent(); 117         } 118     } 119  120     public static void test(ClassLoader loader) throws Exception { 121         Class<?> clazz = loader.loadClass("com.ice.classloader.LoadedClass"); 122         Object object = clazz.newInstance(); 123     } 124  125     public static void testNameSpace(ClassLoader loader) throws Exception { 126         Class<?> clazz = loader.loadClass("com.ice.classloader.LoadedClass"); 127         Object object = clazz.newInstance(); 128         try{ 129             LoadedClass lc = (LoadedClass) object; 130         }catch(Exception e){ 131             e.printStackTrace(); 132         } 133     } 134 }

被加载类LoadedClass的定义如下：

 1 //被加载类  2 package com.ice.classloader;  3   4 public class LoadedClass {  5   6     public LoadedClass() {  7         System.out.println("LoadedClass is loaded by: "  8                 + this.getClass().getClassLoader());  9  10     } 11  12 }

(1).双亲委派结果child加载器会委托father进行加载，若father的加载目录下存在着对应的class文件，则会由父加载器father进行对应的加载工作(father也会交由AppClassLoader和ExtClassLoader尝试进行加载，但这两个加载器并不知道如何加载，故而最后会自己尝试进行加载) 

当father的加载目录下没有对应的class文件，则会交由child进行加载

(2).命名空间隔离由于MyClassLoader是通过系统的(应用程序类加载器/类路径加载器加载的)，而LoadedClass是由user加载器所加载的，AppClassLoader加载器是user加载器的父加载器，故由父加载器加载的类MyClassLoader无法看见子加载器user所加载的LoadedClass类，在MyClassLoader中尝试实例化LoadedClass类时就会出现如下错误：

对应出错的正是尝试实例化LoadedClass类的那一行

128         try{ 129             LoadedClass lc = (LoadedClass) object; 130         }catch(Exception e){

(3).运行时包当请求加载一个com.ice.classloader.virus类时，AppClassLoader路径下没有该类的class文件，那么attaker加载器将会加载这个virus类，并暗示其为com.ice.classloader的一部分，该类想要获取com.ice.classloader包下被信任类的访问权限。但由于权限检查时，由于该Virus类由attacker加载而非AppClassLoader加载，故对MyClassLoader受保护成员的访问将会被阻止。

 1 package com.ice.classloader;  2   3 public class Virus {  4   5     public Virus() {  6         System.out.println("Virus is loaded by: "  7                 + this.getClass().getClassLoader());  8         MyClassLoader cl = (MyClassLoader) this.getClass().getClassLoader();  9         System.out.println("secret is:" + cl.secret); 10     } 11  12 }

MyClassLoader 由AppClassLoader所加载，而Virus由用户自定义的加载器attacker所加载，虽然AppClassLoader是attacker的父加载器，即MyClassLoader对Virus可见，但由于两者不是由同一个加载器所加载，即不属于同一个运行时包，那么Virus对MyClassLoader的受保护成员访问受限

 1 public class MyClassLoader extends ClassLoader {  2     protected int secret = -1;  3 //...  4     public static void main(String[] args) throws Exception {  5             //其父加载器为Bootstrap ClassLoader  6             MyClassLoader loader = new MyClassLoader(null, "loader");  7             loader.setPath(HOME + "usr//");  8   9             MyClassLoader attacker = new MyClassLoader("attacker"); 10             attacker.setPath(HOME + "attacker//"); 11  12             System.out.println("MyClassLoader's classloader:" + MyClassLoader.class.getClassLoader()); 13  14             System.out.println("-------------test parent--------------"); 15             //测试父加载器关系 16             traverseParent(attacker); 17  18             System.out.println("-------------test in-package access--------------"); 19             testVirus(attacker); 20  21         } 22  23         public static void traverseParent(ClassLoader loader) throws Exception{ 24             if(loader == null) return; 25             System.out.println("travase classloader:" + loader.toString()); 26             while(loader.getParent() != null){ 27                 System.out.println(loader.getParent()); 28                 loader = loader.getParent(); 29             } 30         } 31  32  33         public static void testVirus(ClassLoader loader) throws Exception { 34             Class<?> clazz = loader.loadClass("com.ice.classloader.Virus"); 35             Object object = clazz.newInstance(); 36         } 37     }

结果如下：

注意命名空间的隔离与运行时包隔离的区别，不同命名空间的类之间不可见，而同一命名空间内的类可能由不同的加载器进行加载，如启动类加载器加载的核心JavaAPI和用户自定义加载器加载的类，这些类及时声明定义为同一个包，但是由于不是由同一个加载器加载的，即不属于同一个运行时包，那么不同运行时包内的类之间就存在对包可见成员的访问限制。

Java的沙箱模型可以由用户自定义，这是通过用户定制沙箱的安全管理器(SecurityManager)来定义沙箱的安全边界，以为程序运行指定用户自定义的安全策略和访问控制。应用程序通过System.setSecurityManager()/“-Djava.security.manager”来指定/启动安全管理器，每当JavaAPI执行一些可能不安全的操作时，如对文件的读写和删除等，就会向安全管理器进行权限检查，若权限检查不通过，将会抛出一个安全异常，若权限检查通过，则允许该操作的执行。

比如创建一个FileInputStream时，会调用SecurityManager的checkRead()进行读取权限的检查：

 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         fd = new FileDescriptor(); 11         fd.incrementAndGetUseCount(); 12         open(name); 13     }

checkRead()即以读动作的FilePermission为参数调用checkPermission()

1 public void checkRead(String file) { 2         checkPermission(new FilePermission(file, 3             SecurityConstants.FILE_READ_ACTION)); 4     }

jdk1.2版本后，可以使用checkPermission(Permission perm)和checkPermission(Permission perm, Object context)来进行权限检查，其中perm为请求执行操作所需要的权限，如java.io.FilePermission对“/usr/indata.txt”请求“read”操作。checkPermission()实际上在对当前线程的方法栈进行优化后，获得一个访问控制环境AccessControlContext，并调用其checkPermission()方法

 1 public static void checkPermission(Permission perm)  2                  throws AccessControlException  3     {  4         //System.err.println("checkPermission "+perm);  5         //Thread.currentThread().dumpStack();  6   7         if (perm == null) {  8             throw new NullPointerException("permission can't be null");  9         } 10  11         AccessControlContext stack = getStackAccessControlContext(); 12         // if context is null, we had privileged system code on the stack. 13         if (stack == null) { 14            //...debug相关 15             return; 16         } 17  18         AccessControlContext acc = stack.optimize(); 19         acc.checkPermission(perm); 20     }

 1 public void checkPermission(Permission perm)  2         throws AccessControlException  3     {  4        //...  5         if (context == null)  6             return;  7   8         for (int i=0; i< context.length; i++) {  9             if (context[i] != null &&  !context[i].implies(perm)) { 10                 //... 11                 throw new AccessControlException("access denied "+perm, perm); 12             } 13         } 14  15         // ... 16  17         return; 18     }

 1 protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,  2                                          ProtectionDomain protectionDomain)  3         throws ClassFormatError  4     {  5         protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);  6   7         Class c = null;  8         String source = defineClassSourceLocation(protectionDomain);  9  10         try { 11             c = defineClass1(name, b, off, len, protectionDomain, source); 12         } catch (ClassFormatError cfe) { 13             c = defineTransformedClass(name, b, off, len, protectionDomain, cfe, 14                                        source); 15         } 16  17         postDefineClass(c, protectionDomain); 18         return c; 19     }

在defineClass()中，会调用preDefineClass()获取ProtectionDomain：

 1 private ProtectionDomain preDefineClass(String name,  2                                             ProtectionDomain pd)  3     {  4         if (!checkName(name))  5             throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);  6   7         if ((name != null) && name.startsWith("java.")) {  8             throw new SecurityException  9                 ("Prohibited package name: " + 10                  name.substring(0, name.lastIndexOf('.'))); 11         } 12         if (pd == null) { 13             pd = defaultDomain; 14         } 15  16         if (name != null) checkCerts(name, pd.getCodeSource()); 17  18         return pd; 19     }

当没有指定保护域时，就会为其指定一个空的保护域，若指定了保护域则使用加载器所指定的保护域。

类加载器的实现可以通过 将代码来源(CodeSource)，即代码库和该class文件的所有签名者信息，传递给当前的Policy对象的getPermissions()方法，来查询该代码来源所拥有的权限集合PermissionCollection(在策略初始化时生成)，并以此构造一个保护域传递给defineClass()，以此指定类的保护域。

(3).Java应用程序访问控制策略是由抽象类java.security.Policy的子类实例所描述的，通过设置policy.provider属性值来指定Policy的实现类，该属性值定义在/jre/lib/security/java.security文件中

# # Class to instantiate as the system Policy. This is the name of the class # that will be used as the Policy object. # policy.provider=sun.security.provider.PolicyFile

可见默认是使用PolicyFile类来实现访问控制策略，该类将使用从策略文件中读取并解析访问控制策略的方式形成策略。也可以通过实现自己的Policy并调用Policy的setPolicy()方法来替换当前Policy对象。

对Java应用程序的访问控制策略是由抽象类java.security.Policy的子类实例实现的，其实现方式可以采用很多种方法，如从一个结构化ASCII文件中读取，从一个Policy的二进制class文件中读取，从一个数据库中读取，PolicyFile就是使用了从ASCII策略文件中读取的方法，策略文件定义在/jre/lib/security/java.security中：

1 # The default is to have a single system-wide policy file, 2 # and a policy file in the user's home directory. 3 policy.url.1=file:${java.home}/lib/security/java.policy 4 policy.url.2=file:${user.home}/.java.policy

以/jre/lib/security/java.policy为例说明策略文件，在该文件中使用上下文无关文法描述安全策略如：

grant codeBase "file:${{java.ext.dirs}}/*" {     permission java.security.AllPermission; };

policy文件的基本语法如下：

keystore "keystore_url", "keystore_type";  grant [SignedBy "signer_names"] [, CodeBase "URL"] [,principal principal_class_name "principal_name",]{ Permission permission_class_name [ "target_name" ] [, "action"] [, SignedBy "signer_names"]; Permission ... };

• keystore： 
  keystore_url指定了签名者的公钥的证书文件所在位置，可以使相对URL，如keystore “mykey”，这个相对路径指向了程序使用该策略文件的启动目录，比如，该策略文件由policy.url.x指定在”e://security/policy/mypolicy.txt”，那么公钥证书就在”e://security/policy/mykey”文件中。当然也可以使用绝对路径指定公钥路径。 
  keystore_type指定了密钥仓库信息的存储和数据格式，也定义了保护密钥仓库中私钥和密钥仓库完整性的算法，默认将使”JKS”类型
• grant子句： 
  授予 指定类型(代码) 指定权限 
  其中对代码类型的描述有两种： 
  signedBy表示签名者别名，可以是由”,”分隔的若干个签名者 
  codeBase表示一个特定的加载位置，从该目录下加载的代码都将被赋予特定的权限
• permission： 
  permission由权限类型、操作目标、操作动作三部分组成，如 
  permission java.io.FilePermission “note.txt” “read”即为对程序启动目录下(相对路径)的note.txt的读取权限

最后以深入jvm(第二版)一书中的例子来介绍策略文件的使用以及保护域的作用：

Doer接口：

1 // /com/ice/security/doer/Doer.java 2 package com.ice.security.doer; 3  4 public interface Doer { 5     void doYourThing(); 6 }

Doer的实现类Friend，由Friend所签名，将作为受信认类访问“friend.txt”和“stranger.txt”

 1 // /com/ice/security/friend/Friend.java  2 package com.ice.security.friend;  3   4 import java.security.AccessController;  5 import java.security.PrivilegedAction;  6   7 import com.ice.security.doer.Doer;  8   9 public class Friend implements Doer{ 10     private Doer next; 11     private boolean direct; 12  13     public Friend(Doer next, boolean direct){ 14         this.next = next; 15         this.direct = direct; 16     } 17  18     @Override 19     public void doYourThing() { 20         if(direct){ 21             next.doYourThing(); 22         }else{ 23             AccessController.doPrivileged( 24                     new PrivilegedAction() { 25                         public Object run(){ 26                             next.doYourThing(); 27                             return null; 28                         } 29                     } 30             ); 31         } 32     } 33  34 }

Doer的实现类Stranger，由Stranger所签名，作为不受信认类，仅能访问“stranger.txt”

//com/ice/security/stranger/Stranger.java package com.ice.security.stranger; import java.security.AccessController; import java.security.PrivilegedAction; import com.ice.security.doer.Doer; public class Stranger implements Doer{  private Doer next;  private boolean direct;  public Stranger(Doer next, boolean direct){   this.next = next;   this.direct = direct;  }  @Override  public void doYourThing() {   if(direct){    next.doYourThing();   }else{    AccessController.doPrivileged(      new PrivilegedAction() {       public Object run(){        next.doYourThing();        return null;       }      }    );   }  } } 

txt文件的显示输出类TextFileDisplayer：

 1 //TextFileDisplayer.java  2 import java.io.CharArrayWriter;  3 import java.io.FileReader;  4 import java.io.IOException;  5   6 import com.ice.security.doer.Doer;  7   8   9 public class TextFileDisplayer implements Doer{ 10     private String fileName; 11     public TextFileDisplayer(String fileName){ 12         this.fileName = fileName; 13     } 14  15     @Override 16     public void doYourThing() { 17             try{ 18                 FileReader fr = new FileReader(fileName); 19                 try { 20                     CharArrayWriter caw = new CharArrayWriter(); 21                     int c; 22                     while((c = fr.read()) != -1){ 23                         caw.write(c); 24                     } 25                     System.out.println(caw.toString()); 26                 } catch (IOException e) { 27  28                 }finally{ 29                     try{ 30                         fr.close(); 31                     }catch (IOException e){ 32  33                     } 34                 } 35             }catch (IOException e) { 36  37             } 38     } 39  40 }

jar cvf stranger.jar com/ice/security/stranger/*.class 将friend包内的class文件打包

(2).使用keytool可以用来生成新的密钥对，并与一个别名关联，用密码加以保护存放在keystore文件中使用keytool -genkey -alias friend -keypass 123456 -validity 10000 -keystore mykey 命令： 

该密钥的别名是friend，别名密码是123456(至少6位)，有效期是10000天，存放在一个mykey的keystore文件中，keystore密码为myfriendkey

类似地，生成一个别名stranger的密钥对

为了方便起见，两个不同的签名者stranger和friend的密钥均存放在mykey中，mykey的访问密码是myfriendkey，密钥的访问密码都是123456

2.编写自己的策略文件，放在当前目录下

//mypolicy.txt keystore "mykey"; grant signedBy "friend"{  permission java.io.FilePermission "friend.txt","read";  permission java.io.FilePermission "stranger.txt","read"; }; grant signedBy "stranger"{  permission java.io.FilePermission "stranger.txt","read"; }; grant codeBase "file:${com.ice.home}/com*"{  permission java.io.FilePermission "friend.txt","read";  permission java.io.FilePermission "stranger.txt","read"; }; 

1 public class ProtectionDomainTest { 2     public static void main(String[] args){ 3     TextFileDisplayer tfd = new TextFileDisplayer("stranger.txt"); 4     Friend friend = new Friend(tfd, true); 5     Stranger stranger = new Stranger(friend, true); 6     stranger.doYourThing(); 7     } 8 }

调用java -Djava .security .manager -Djava .security .policy=mypolicy .txt -Dcom .ice .home=e:/java/security - cp . ;friend.jar;stranger.jar ProtectionDomainTest 测试运行，其中指定了com.ice.home的路径，通过-cp设置了类路径 

(3).不能通过权限检查的例子：

1 public class ProtectionDomainTest { 2     public static void main(String[] args){ 3     TextFileDisplayer tfd = new TextFileDisplayer("friend.txt"); 4     Friend friend = new Friend(tfd, true); 5     Stranger stranger = new Stranger(friend, true); 6     stranger.doYourThing(); 7     } 8 }

与(2)类似，但stranger会尝试让friend读取”friend.txt”，这会被阻止