Java安全第一篇 ｜ 反射看這一篇就夠了

雪痕*發表於2022-03-21
Java反射

什麼是反射？

Java安全可以從反序列化漏洞說起，反序列化漏洞又可以從反射說起。反射是⼤多數語⾔⾥都必不可少的組成部分，物件可以通過反射獲取他的類，類可以通過反射拿到所有⽅法（包括私有），拿到的⽅法可以調⽤，總之通過“反射”，我們可以將Java這種靜態語⾔附加上動態特性。可能說完這一兩句話大家還是不知道反射是個啥玩意，現在為了讓大家容易理解，先為大家提出一個需求，通過這個需要來引出反射。需求如下：

根據配置檔案re.properties指定資訊，建立物件並呼叫方法。

classfullpath=com.lxflxf.Cat

method=hi

這樣的需求在學習框架時很多，即在通過外部檔案配置，在不修改原始碼的情況下，來控制程式。

我們使用現有技術可以做到嗎？我們們可以動手寫一下。

首先建立配置檔案，寫入上述內容，然後建立一個類，寫入如下內容：

public class Cat {

    private String name = "小貓";

    public void hi(){
        System.out.println("hi" + name);
    }
}

傳統的方法是不是我們可以先new一個物件，然後再呼叫它的方法。寫法如下：

Cat cat = new Cat();
cat.hi();

通過傳統方法，確實可以呼叫hi()方法，但是這和我們的需求不一樣，這裡我們是要根據配置檔案re.properties指定資訊來完成。到了這裡，有同學就說了，我們們可以通過IO流的方式來讀取配置檔案的資訊。好，我們們用程式碼來寫一下。

使用Properties來讀寫配置檔案。案例程式碼如下：

        Properties properties = new Properties();
        properties.load(new FileInputStream("src//re.properties"));
        String classfullpath = properties.get("classfullpath").toString();
        String methodName = properties.get("method").toString();
        System.out.println("classfullpath" + classfullpath);
        System.out.println("methodName=" + methodName);

執行一下，發現成功讀取到內容。

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然後需要建立物件，怎麼建立物件呢？有同學就說了，我們們可以直接new classfullpath,這樣不就好了嘛？嗯，想法不錯，下回不要想了。不要忘記了，我們現在的classfullpath可是字串型別，怎麼能去new呢。所以現有技術是做不到這個事情的。那麼這裡就要引入我們要將的重點——反射機制。

為了能更好的理解反射，這裡先寫一個小案例，然後在去解釋。

第一步、載入類，返回Class型別的物件cls

Class cls = Class.forName(classfullpath);

第二步、通過cls得到你載入的類 com.lxflxf.Cat 的物件例項

Object o = cls.newInstance();

可能有同學會問，你怎麼知道這裡拿到的是com.lxflxf.Cat呢，我們可以列印一下來看看，System.out.println(o.getClass())輸出結果如下：

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第三步、通過cls得到你載入的類 com.lxflxf.Cat 的 methodName 的方法物件，我們可以在反射中，把方法視為物件。

Method method1 = cls.getMethod(methodName);

最後、通過method1呼叫方法、也就是通過方法物件來實現呼叫方法

method1.invoke(o);

在這裡我們也能發現反射和傳統方法的區別了，傳統方法是物件.方法()，反射中呢，是方法.invoke(物件)。那我們執行一下，看看能否輸出方法裡的內容呢，如下：

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說到這裡大家腦海裡應該也有了反射的概念。其實反射機制還有一個優點，那就是可以通過外部檔案配置，在不修改原始碼的情況下，來控制程式。比如這裡，我在Cat類下面再寫一個方法，cry()方法，程式碼如下：

public void cry(){
    System.out.println(name + "......喵喵喵");
}

如果我們使用傳統方法，要呼叫這個方法，是不是就要修改程式碼了，比如cat.cry();這樣的，那通過反射，我們只需要修改配置檔案就可以了，在配置檔案re.properties中，將method=hi改為method=cry，就可以了。

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執行，發現成功呼叫並輸出了內容，實現了改配置檔案，不改程式碼，完成了解藕。

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反射機制

上文中，通過一個小案例來簡單的瞭解了一下反射，現在來系統的說一下。反射機制允許程式在執行期藉助於ReflectionAPI取得任何類的內部資訊（比如成員變數、構造器、成員方法等等），並能操作物件的屬性及方法。載入完類後，在堆中就產生了一個Class型別的物件（一個類只有一個Class物件），這個物件包含了類的完整結構資訊。通過這個物件得到類的結構。為了便於理解，在這裡為大家畫一下Java反射機制原理示意圖。如下：

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然後現在做一個小小的總結，Java反射機制可以完成：

  • 在執行時判斷任意一個物件所屬的類
  • 在執行時構造任意一個類的物件
  • 在執行時得到任意一個類所具有的成員變數和方法
  • 在執行時呼叫任意一個物件的成員變數和方法
  • 生成動態代理

反射相關的主要類如下：

1、Java.long.Class:代表一個類，Class物件表示某個類載入後在堆中的物件
2、Java.lang.reflect.Method:代表類的方法
3、Java.lang.reflect.Field:代表類的成員變數
4、Java.lang.reflect.Constructor:代表類的構造方法

上文的案例程式碼中，我們使用了Method和Class相關的方法，現在演示一下，通過Field來拿到成員變數，程式碼如下：

Field name = cls.getField("name");
System.out.println(name.get(o));

發現成功拿到了成員變數的值

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Class類分析

接下來對Class類特點進行一下梳理。先看看Class類圖

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我們發現它的父類仍然是Object。

然後第二點是，Class類物件不是new出來的，而是系統建立的。這裡怎麼理解呢，還記得上面我們們畫的原理圖嗎？Class類是由loadClass()方法完成類載入，生成了某個類對應的Class類物件。現在為大家演示一下。寫如下案例程式碼：

Class<?> aClass = Class.forName("com.lxflxf.Cat");

然後這這句程式碼的前面下一個斷點，進行除錯。成功進入ClassLoader類中，到了loadClass()方法。如下：

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接下來說第三點，對於某個類的Class類物件，在記憶體中只有一份，因為類只載入一次。現在寫一個小案例來驗證一下這個事情，通過ha shCode來判斷，寫如下幾行程式碼：

Class<?> cls1 = Class.forName("com.lxflxf.Cat");
Class<?> cls2 = Class.forName("com.lxflxf.Cat");
System.out.println(cls1.hashCode());
System.out.println(cls2.hashCode());

執行結果如下圖，值相同

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最後關於Class類物件還有兩點說一下，一是每個類的例項都會記得自己是由哪個Class例項所生成，二是Class物件可以完整地得到一個類的完整結構，通過一系列的API。

Class類常用方法

這裡通過寫小案例的方式，為大家說說Class類常用方法，首先新建一個Car類，程式碼如下：

public class Car {
    public String brand;
    public int price;
    public String color;
}

然後我要獲取到Car類對應的Class物件，這裡用到的就是forName()方法：

String classAllPath = "com.lxflxf.Car";
//獲取到Car類對應的Class物件
Class cls = Class.forName(classAllPath);

我們可以輸出一下

System.out.println(cls);
System.out.println(cls.getClass());

第一個輸出的是cls物件，是哪個類的Class物件，第二個輸出的是cls執行型別，如下圖：

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如果我想要得到包名，可以通過getPackageName()方法，可以通過System.out.println(cls.getPackageName())，輸出內容為com.lxflxf。如果想得到類名，可以通過getName()方法。還有一個很重要的方法，那就是建立物件例項：newInstance()，案例如：Object o = cls.newInstance();，這裡也需要注意一點，在JDK1.9往上，不再使用newInstance()。還可以通過getField()獲取到屬性。還有一寫其他方法，這裡就不一一舉例了。列了一個表格，如下：

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前面說了這麼多，那哪些型別有Class物件呢？如下列表：

  • 外部類，成員內部類，靜態內部類，區域性內部類，匿名內部類
  • interface：介面
  • 陣列
  • enum: 列舉
  • annotation: 註解
  • 基本資料型別
  • void

案例程式碼如下：

Class<String> cls1 = String.class;  //外部類
Class<Serializable> cls2 = Serializable.class;  //介面
Class<Integer[]> cls3 = Integer[].class;   //陣列
Class<Deprecated> cls4 = Deprecated.class;   //註解
System.out.println(cls1);
System.out.println(cls2);
System.out.println(cls3);
System.out.println(cls4);

輸出結果如下：

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動態載入

在文章最開始，就說了一下，通過“反射”，我們可以將Java這種靜態語⾔附加上動態特性，換句話說，就是反射機制是Java實現動態語言的關鍵，也就是通過反射實現類動態載入。怎麼理解呢，就是在執行時載入需要的類，如果執行時不用該類，則不報錯，降低了依賴性。

舉個例子吧

新建一個Java檔案，命名為ClassLoad，寫入如下程式碼

Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("請輸入數字");
String key = scanner.next();
switch (key){
    case "1":
        System.out.println("我等於1");
    case "2":
        Class<?> cls = Class.forName("Person");
        Object o = cls.newInstance();
        Method m = cls.getMethod("hi");
        m.invoke(o);
        System.out.println("ok!");
        break;

}

這裡，我沒有寫Person類，但是程式編譯的時候是不會報錯的。也就是說，等到程式執行到case "2"，裡面時才會發生報錯，也就是上文中提到的在執行時載入需要的類，如果執行時不用該類，則不報錯，這就是動態載入。我們現在來執行看一眼。先輸入1程式正常，然後輸入2報錯。

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現在是不是理解了動態載入了呢。

類載入

可能還有一些同學想要了解，比如，類載入過程到底是怎麼樣的呢？其實類載入大體分為三個階段（載入階段(Loading)、連結階段(驗證、準備、解析)、初始化階段(initalization)），這裡畫一張圖來便於理解。

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具體的這個內容我們們後續再說，現在這裡就不做探討了。

參考

Java安全漫談 - 01.反射篇

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