保衛 Java 應用程式的安全沙箱機制你需要了解一下

如果你經常閱讀原始碼，你會發現 Java 的原始碼中到處都有類似於下面這一段程式碼

class File {
  // 判斷一個磁碟檔案是否存在
  public boolean exists() {
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
      security.checkRead(path);
    }
    ...
  }
}

這明顯是一個安全檢查程式碼，檢查的是你是否有訪問磁碟路徑的許可權，為什麼 Java 語言需要這樣的安全檢查程式碼呢？我們再看看客戶端套接字的 connect 函式原始碼，它需要檢查使用者是否有connect 某個網路地址的許可權

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);
       }
    }
    ...
  }
}

再看服務端套接字的原始碼，它會檢查埠的監聽許可權

class ServerSocket {
  public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) {
    ...
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null)
       security.checkListen(epoint.getPort());
    ...
  }
}

似乎所有和 IO 操作有關的方法呼叫都需要進行安全檢查。跟 IO 操作相關的許可權檢查似乎還可以理解，不是所有的 IO 資源使用者程式都是可以隨意訪問的。但是連環境變數都不讓隨意讀，而且限制的還不是所有環境變數，而是某個具體的環境變數，這安全檢查是不是有點過了？

class System {
  public static String getenv(String name) {
    SecurityManager sm = getSecurityManager();
    if (sm != null) {
       sm.checkPermission(new RuntimePermission("getenv."+name));
    }
    return ProcessEnvironment.getenv(name);
  }
}

這是因為 Java 的安全檢查管理器和作業系統的許可權檢查不是一個概念，Java 編寫的不只是服務端應用程式，它還可以作為客戶端跑在瀏覽器上（Applet），它還可以以 app 的形式跑在手機上（J2ME）,針對不同的平臺 JVM 會使用不同的安全策略。對於 Applet 而言，受限尤其嚴苛，通常都不允許 Applet 來操作本地檔案。待 Java 的安全檢查透過後執行具體的 IO 操作時，作業系統還會繼續進行許可權檢查。

我們平時在本地執行 java 程式時通常都不會預設開啟安全檢查器，需要執行 jvm 引數才會開啟

$ java -Djava.security.manager xxx
$ java -Djava.security.manager -DDjava.security.policy="${policypath}"

因為安全限制條件可以定製，所以還需要提供具體的安全策略檔案路徑，預設的策略檔案路徑是 JAVA_HOME/jre/lib/security/java.policy，下面讓我們來看看這個檔案裡都寫了些什麼

// 內建擴充套件庫授權規則
// 表示 JAVA_HOME/jre/lib/ext/ 目錄下的類庫可以全權訪問任意資源
// 包含 javax.swing.*, javax.xml.*, javax.crypto.* 等等
grant codeBase "file:${{java.ext.dirs}}/*" {
 permission java.security.AllPermission;
};

// 其它類庫授權規則
grant {
 // 允許執行緒呼叫自己的 stop 方法自殺
 permission java.lang.RuntimePermission "stopThread";
 // 允許程式監聽 localhost 的隨機可用埠，不允許隨意訂製埠
 permission java.net.SocketPermission "localhost:0", "listen";
 // 限制獲取系統屬性，下面一系列的配置都是隻允許讀部分內建屬性
 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";
};

grant 如果提供了 codeBase 引數就是針對具體的類庫來配置許可權規則，如果沒有指定 codeBase 就是針對所有其它類庫配置的規則。

安全檢查沒有透過，那就會丟擲 java.security.AccessControlException 異常。即使安全檢查透過了，作業系統的許可權檢查仍然可能通不過，這時候又會丟擲其它型別的異常。

授權規則採用白名單，依據上面的配置意味著啟用預設安全策略的 JVM 將無法訪問本地檔案。如果需要訪問本地檔案，可以增加下面的規則

permission java.io.FilePermission "/etc/passwd", "read";
permission java.io.FilePermission "/etc/shadow", "read,write";
permission java.io.FilePermission "/xyz", "read,write,delete";
// 允許讀所有檔案
permission java.io.FilePermission "*", "read";

Permission 的配置引數正好對應了它的構造器引數

public FilePermission(String path, String actions) {
  super(path);
  init(getMask(actions));
}

Java 預設安全規則分為幾大模組，每個模組都有各自的配置引數

其中 AllPermission 表示開啟所有許可權。還有一個不速之客 HibernatePermission，它並不是內建的許可權模組，它是 Hibernate 框架為自己訂製的，這意味著安全規則是支援自定義擴充套件的。擴充套件也很簡單，可以自己編寫一個 Permission 子類，實現它的 4 個抽象方法。

abstract class Permission {
  // 許可權名稱，對於檔案來說就是檔名，對於套接字來說就是套接字地址
  // 它的意義是子類可定製的
  private String name;
  // 當前許可權物件是否隱含了 other 許可權
  // 比如 AllPermission 的這個方法總是返回 true
  public abstract boolean implies(Permission other);
  // equals 和 hashcode 用於許可權比較
  public abstract boolean equals(Object obj);
  public abstract int hashCode();
  // 許可權選項 read,write,xxx
  public abstract String getActions();
}

class CustomPermission extends Permission {
  private String actions;
  CustomPermission(string name, string actions) {
    super(name)
    this.actions = actions;
  }
  ...
}

JVM 啟動時會將 profile 裡面定義的許可權規則載入到許可權池中，使用者程式在特定的 API 方法裡使用許可權池來判斷是否包含呼叫這個 API 的許可權，最終會落實到呼叫許可權池中每一個許可權物件的 implies 方法來判斷是否具備指定許可權。

class CustomAPI {
  public void someMethod() {
    SecurityManager sec = System.getSecurityManager();
    if(sec != null) {
      sec.CheckPermission(new CustomPermission("xname", "xactions"));
    }
    ...
  }
}

啟用安全檢查，將會降低程式的執行效率，如果 profile 裡面定義的許可權規則特別多，那麼檢查效率就會很慢，使用時注意安全檢查要省著點使用。

沙箱的安全檢查點非常多，下面列舉一些常見的場景

1. 檔案操作

2. 套接字操作

3. 執行緒和執行緒組

4. 類載入器控制

5. 反射控制

6. 執行緒堆疊資訊獲取

7. 網路代理控制

8. Cookie 讀寫控制

如果你的服務端程式開啟了安全檢查，就需要在 policy 配置檔案裡開啟很多安全設定，非常繁瑣，而且配置多了，檢查的效能也會產生一定損耗。這點有點類似 Android 的應用許可權設定，在每個 Android 應用的配置檔案裡都需要羅列出一系列應用子許可權。不過用 Java 來編寫服務端程式似乎開啟安全檢查沒有任何必要。