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冷门的 Java 应用程序安全沙箱机制了解一下

如果你经常阅读源码,你会发现 Java 的源码中到处都有类似于下面这一段代码

class File {
  // 判断一个磁盘文件是否存在
  public boolean exists() {
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
      security.checkRead(path);
    }
    ...
  }
}
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这明显是一个安全检查代码,检查的是你是否有访问磁盘路径的权限,为什么 Java 语言需要这样的安全检查代码呢?我们再看看客户端套接字的 connect 函数源码,它需要检查用户是否有connect 某个网络地址的权限

class Socket {
  public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) {
    ...
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
       if (epoint.isUnresolved())
          security.checkConnect(epoint.getHostName(), port);
       else
          security.checkConnect(addr.getHostAddress(), port);
       }
    }
    ...
  }
}
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再看服务端套接字的源码,它会检查端口的监听权限

class ServerSocket {
  public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) {
    ...
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null)
       security.checkListen(epoint.getPort());
    ...
  }
}
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似乎所有和 IO 操作有关的方法调用都需要进行安全检查。跟 IO 操作相关的权限检查似乎还可以理解,不是所有的 IO 资源用户进程都是可以随意访问的。但是连环境变量都不让随意读,而且限制的还不是所有环境变量,而是某个具体的环境变量,这安全检查是不是有点过了?

class System {
  public static String getenv(String name) {
    SecurityManager sm = getSecurityManager();
    if (sm != null) {
       sm.checkPermission(new RuntimePermission("getenv."+name));
    }
    return ProcessEnvironment.getenv(name);
  }
}
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这是因为 Java 的安全检查管理器和操作系统的权限检查不是一个概念,Java 编写的不只是服务端应用程序,它还可以作为客户端跑在浏览器上(Applet),它还可以以 app 的形式跑在手机上(J2ME),针对不同的平台 JVM 会使用不同的安全策略。对于 Applet 而言,受限尤其严苛,通常都不允许 Applet 来操作本地文件。待 Java 的安全检查通过后执行具体的 IO 操作时,操作系统还会继续进行权限检查。

我们平时在本地运行 java 程序时通常都不会默认打开安全检查器,需要执行 jvm 参数才会打开

$ java -Djava.security.manager xxx
$ java -Djava.security.manager -DDjava.security.policy="${policypath}"
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因为安全限制条件可以定制,所以还需要提供具体的安全策略文件路径,默认的策略文件路径是 JAVA_HOME/jre/lib/security/java.policy,下面让我们来看看这个文件里都写了些什么

// 内置扩展库授权规则
// 表示 JAVA_HOME/jre/lib/ext/ 目录下的类库可以全权访问任意资源
// 包含 javax.swing.*, javax.xml.*, javax.crypto.* 等等
grant codeBase "file:${{java.ext.dirs}}/*" {
 permission java.security.AllPermission;
};

// 其它类库授权规则
grant {
 // 允许线程调用自己的 stop 方法自杀
 permission java.lang.RuntimePermission "stopThread";
 // 允许程序监听 localhost 的随机可用端口,不允许随意订制端口
 permission java.net.SocketPermission "localhost:0", "listen";
 // 限制获取系统属性,下面一系列的配置都是只允许读部分内置属性
 permission java.util.PropertyPermission "java.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vendor.url", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.class.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "os.name", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "os.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "os.arch", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "file.separator", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "path.separator", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "line.separator", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.specification.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.specification.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.specification.name", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.name", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.version", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.vendor", "read";
 permission java.util.PropertyPermission "java.vm.name", "read";
};

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grant 如果提供了 codeBase 参数就是针对具体的类库来配置权限规则,如果没有指定 codeBase 就是针对所有其它类库配置的规则。

安全检查没有通过,那就会抛出 java.security.AccessControlException 异常。即使安全检查通过了,操作系统的权限检查仍然可能通不过,这时候又会抛出其它类型的异常。

授权规则采用白名单,依据上面的配置意味着启用默认安全策略的 JVM 将无法访问本地文件。如果需要访问本地文件,可以增加下面的规则

permission java.io.FilePermission "/etc/passwd", "read";
permission java.io.FilePermission "/etc/shadow", "read,write";
permission java.io.FilePermission "/xyz", "read,write,delete";
// 允许读所有文件
permission java.io.FilePermission "*", "read";
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Permission 的配置参数正好对应了它的构造器参数

public FilePermission(String path, String actions) {
  super(path);
  init(getMask(actions));
}
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Java 默认安全规则分为几大模块,每个模块都有各自的配置参数

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其中 AllPermission 表示打开所有权限。还有一个不速之客 HibernatePermission,它并不是内置的权限模块,它是 Hibernate 框架为自己订制的,这意味着安全规则是支持自定义扩展的。扩展也很简单,可以自己编写一个 Permission 子类,实现它的 4 个抽象方法。

abstract class Permission {
  // 权限名称,对于文件来说就是文件名,对于套接字来说就是套接字地址
  // 它的意义是子类可定制的
  private String name;
  // 当前权限对象是否隐含了 other 权限
  // 比如 AllPermission 的这个方法总是返回 true
  public abstract boolean implies(Permission other);
  // equals 和 hashcode 用于权限比较
  public abstract boolean equals(Object obj);
  public abstract int hashCode();
  // 权限选项 read,write,xxx
  public abstract String getActions();
}

class CustomPermission extends Permission {
  private String actions;
  CustomPermission(string name, string actions) {
    super(name)
    this.actions = actions;
  }
  ...
}
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JVM 启动时会将 profile 里面定义的权限规则加载到权限池中,用户程序在特定的 API 方法里使用权限池来判断是否包含调用这个 API 的权限,最终会落实到调用权限池中每一个权限对象的 implies 方法来判断是否具备指定权限。

class CustomAPI {
  public void someMethod() {
    SecurityManager sec = System.getSecurityManager();
    if(sec != null) {
      sec.CheckPermission(new CustomPermission("xname", "xactions"));
    }
    ...
  }
}
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启用安全检查,将会降低程序的执行效率,如果 profile 里面定义的权限规则特别多,那么检查效率就会很慢,使用时注意安全检查要省着点使用。

沙箱的安全检查点非常多,下面列举一些常见的场景

  1. 文件操作
  2. 套接字操作
  3. 线程和线程组
  4. 类加载器控制
  5. 反射控制
  6. 线程堆栈信息获取
  7. 网络代理控制
  8. Cookie 读写控制

如果你的服务端程序开启了安全检查,就需要在 policy 配置文件里打开很多安全设置,非常繁琐,而且配置多了,检查的性能也会产生一定损耗。这点有点类似 Android 的应用权限设置,在每个 Android 应用的配置文件里都需要罗列出一系列应用子权限。不过用 Java 来编写服务端程序似乎开启安全检查没有任何必要。

原文  https://juejin.im/post/5c0dec495188257c8873b985
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