Java安全之ClassLoader

类加载机制

Java中的源码.java后缀文件会在运行前被编译成.class后缀文件，文件内的字节码的本质就是一个字节数组，它有特定的复杂的内部格式，Java类初始化的时候会调用java.lang.ClassLoader加载字节码，.class文件中保存着Java代码经转换后的虚拟机指令，当需要使用某个类时，虚拟机将会加载它的.class文件，并创建对应的class对象，将class文件加载到虚拟机的内存，而在JVM中类的查找与装载就是由ClassLoader完成的，而程序在启动的时候，并不会一次性加载程序所要用的所有class文件，而是根据程序的需要，来动态加载某个class文件到内存当中的，从而只有class文件被载入到了内存之后，才能被其它class所引用。所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

类加载方式

Java类加载方式分为显式和隐式

显式：利用反射或ClassLoader来动态加载一个类

隐式：通过new 一个类或者类名.方法名返回一个类

示例代码

@Test

public void loadClassTest() throws Exception {

    //1、反射加载

    Class<?> aClass = Class.forName("java.lang.Runtime");

    System.out.println(aClass.getName());

    //2、ClassLoader加载

    Class<?> aClass1 = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("java.lang.ProcessBuilder");

    System.out.println(aClass1.getName());

}

那也就是其实可以通过ClassLoader.loadClass()代替Class.forName()来获取某个类的class对象。

ClassLoader

ClassLoader（类加载器）主要作用就是将class文件读入内存，并为之生成对应的java.lang.Class对象

JVM中存在3个内置ClassLoader：

BootstrapClassLoader 启动类加载器负责加载 JVM 运行时核心类，这些类位于 JAVA_HOME/lib/rt.jar 文件中，我们常用内置库 java.xxx.* 都在里面，比如 java.util.*、java.io.*、java.nio.*、java.lang.* 等等。

ExtensionClassLoader 扩展类加载器负责加载 JVM 扩展类，比如 swing 系列、内置的 js 引擎、xml 解析器等等，这些库名通常以 javax 开头，它们的 jar 包位于 JAVA_HOME/lib/ext/*.jar 中

AppClassLoader 系统类加载器才是直接面向我们用户的加载器，它会加载 Classpath 环境变量里定义的路径中的 jar 包和目录。我们自己编写的代码以及使用的第三方 jar 包通常都是由它来加载的。

除了Java自带的ClassLoader外，还可以自定义ClassLoader，自定义的ClassLoader都必须继承自java.lang.ClassLoader类，也包括Java提供的另外二个ClassLoader（Extension ClassLoader和App ClassLoader）在内，但是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader，因为它不是一个普通的Java类，底层由C++编写，已嵌入到了JVM内核当中，当JVM启动后，Bootstrap ClassLoader也随着启动，负责加载完核心类库后，并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。

类加载流程

类加载指的是在.java文件编译成.class字节码文件后，当需要使用某个类时，虚拟机将会加载它的.class文件，将.class文件读入内存，并在内存中为之创建一个java.lang.Class对象。但是实现步骤看起来会比较空洞和概念化，暂时不去深入研究，理解类加载是做什么的并了解加载过程即可。后续有刚需再去深入。

类加载大致分为三个步骤：加载、连接、初始化。

0x01 加载

类加载指的是将class文件读入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象，即程序中使用任何类时，也就是任何类在加载进内存时，系统都会为之建立一个java.lang.Class对象，这个Class对象包含了该类的所有信息，如Filed，Method等，系统中所有的类都是java.lang.Class的实例。

类的加载由类加载器完成，JVM提供的类加载器叫做系统类加载器，此外还可以通过自定义类加载器加载。

通常可以用如下几种方式加载类的二进制数据：

从本地文件系统加载class文件。

从JAR包中加载class文件，如JAR包的数据库启驱动类。

通过网络加载class文件。

把一个Java源文件动态编译并执行加载。

0x02 链接

链接阶段负责把类的二进制数据合并到JRE中，其又可分为如下三个阶段：

验证：确保加载的类信息符合JVM规范，无安全方面的问题。

准备：为类的静态Field分配内存，并设置初始值。

解析：将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。

0x03 初始化

类加载最后阶段，若该类具有超类，则对其进行初始化，执行静态初始化器和静态初始化成员变量(如前面只初始化了默认值的static变量将会在这个阶段赋值，成员变量也将被初始化

双亲委派机制

基本概念

前面提到了Java自带3个ClassLoader，包括我们也可以实现自定义ClassLoader完成类加载，但是具体某个类的加载用的是哪个ClassLoader呢。这里涉及到一个双亲委派机制（PS：这个我看网上有讲的是委托也有是委派，个人觉得委派好听，先这么叫着:D）

这里丢个图，基本概述了双亲委派机制（先走蓝色箭头再走红色箭头）

双亲委派简单理解：向上委派，向下加载

当一个.class文件要被加载时。不考虑我们自定义类加载器，首先会在AppClassLoader中检查是否加载过，如果有那就无需再加载了。如果没有，那么会拿到父加载器，然后调用父加载器的loadClass方法。父类中同理也会先检查自己是否已经加载过，如果没有再往上。注意这个类似递归的过程，直到到达Bootstrap classLoader之前，都是在检查是否加载过，并不会选择自己去加载。直到BootstrapClassLoader，已经没有父加载器了，这时候开始考虑自己是否能加载了（向上委派）; 如果自己无法加载，会下沉到子加载器去加载，一直到最底层（向下加载）。如果没有任何加载器能加载，就会抛出ClassNotFoundException异常。

为什么？

那么为什么加载类的时候需要双亲委派机制呢？

采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。

其次是，如果有人想替换系统级别的类：String.java。篡改它的实现，在这种机制下这些系统的类已经被Bootstrap classLoader加载过了（为什么？因为当一个类需要加载的时候，最先去尝试加载的就是BootstrapClassLoader），所以其他类加载器并没有机会再去加载，从一定程度上防止了危险代码的植入。

自定义ClassLoader

先看下ClassLoader这个类中的核心方法

ClassLoader核心方法

loadClass(加载指定的Java类)

一般实现这个方法的步骤是:执行findLoadedClass(String)去检测这个class是不是已经加载过了。

执行父加载器的loadClass方法。如果父加载器为null则jvm内置的加载器去替代,也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null,但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。如果向上委托父加载器没有加载成功;则通过findClass(String)查找。

如果class在上面的步骤中找到了,参数resolve又是true的话那么loadClass()又会调用resolveClass(Class)这个方法来生成最终的Class对象。

findClass(查找指定的Java类)

findLoadedClass(查找JVM已经加载过的类)

defineClass(定义一个Java类)

resolveClass(链接指定的Java类)

编写自定义ClassLoader步骤

1、编写一个类继承ClassLoader抽象类；

2、重写findClass()方法；

3、在findClass()方法中调用defineClass()方法即可实现自定义ClassLoader；

0x01 编写测试类

package classloader;

public class test {

    public String hello(){

        return "hello, CoLoo!";

    }

}

0x02 编译为`.class`文件

0x03 `.class`转换bytes

public class ByteClass {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.class");

        byte[] classBytes = IOUtils.readFully(fis, -1, false);

        System.out.println(Arrays.toString(classBytes));

    }

}

Output:

[-54, -2, -70, -66, 0, 0, 0, 52, 0, 17, 10, 0, 4, 0, 13, 8, 0, 14, 7, 0, 15, 7, 0, 16, 1, 0, 6, 60, 105, 110, 105, 116, 62, 1, 0, 3, 40, 41, 86, 1, 0, 4, 67, 111, 100, 101, 1, 0, 15, 76, 105, 110, 101, 78, 117, 109, 98, 101, 114, 84, 97, 98, 108, 101, 1, 0, 5, 104, 101, 108, 108, 111, 1, 0, 20, 40, 41, 76, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 83, 116, 114, 105, 110, 103, 59, 1, 0, 10, 83, 111, 117, 114, 99, 101, 70, 105, 108, 101, 1, 0, 9, 116, 101, 115, 116, 46, 106, 97, 118, 97, 12, 0, 5, 0, 6, 1, 0, 13, 104, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 67, 111, 76, 111, 111, 33, 1, 0, 16, 99, 108, 97, 115, 115, 108, 111, 97, 100, 101, 114, 47, 116, 101, 115, 116, 1, 0, 16, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 79, 98, 106, 101, 99, 116, 0, 33, 0, 3, 0, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 6, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 29, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 42, -73, 0, 1, -79, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 1, 0, 9, 0, 10, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 27, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 18, 2, -80, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 0, 1, 0, 11, 0, 0, 0, 2, 0, 12]

0x04 自定义ClassLoader

package classloader;

import java.lang.reflect.Method;

public class ClassLoaderTest extends ClassLoader {

    private static String className = "classloader.test";

    //转换byte后的字节码

    private static byte[] classBytes = new byte[]{54, -2, -70, -66, 0, 0, 0, 52, 0, 17, 10, 0, 4, 0, 13, 8, 0, 14, 7, 0, 15, 7, 0, 16, 1, 0, 6, 60, 105, 110, 105, 116, 62, 1, 0, 3, 40, 41, 86, 1, 0, 4, 67, 111, 100, 101, 1, 0, 15, 76, 105, 110, 101, 78, 117, 109, 98, 101, 114, 84, 97, 98, 108, 101, 1, 0, 5, 104, 101, 108, 108, 111, 1, 0, 20, 40, 41, 76, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 83, 116, 114, 105, 110, 103, 59, 1, 0, 10, 83, 111, 117, 114, 99, 101, 70, 105, 108, 101, 1, 0, 9, 116, 101, 115, 116, 46, 106, 97, 118, 97, 12, 0, 5, 0, 6, 1, 0, 13, 104, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 67, 111, 76, 111, 111, 33, 1, 0, 16, 99, 108, 97, 115, 115, 108, 111, 97, 100, 101, 114, 47, 116, 101, 115, 116, 1, 0, 16, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 79, 98, 106, 101, 99, 116, 0, 33, 0, 3, 0, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 6, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 29, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 42, -73, 0, 1, -79, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 1, 0, 9, 0, 10, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 27, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 18, 2, -80, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 0, 1, 0, 11, 0, 0, 0, 2, 0, 12};

    @Override

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        //只处理classloader.test类

        if (name.equals(className)) {

            //调用definClass将一个字节流定义为一个类。

            return defineClass(className, classBytes, 0, classBytes.length);

        }

        return super.findClass(name);

    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //创建加载器

        ClassLoaderTest clt = new ClassLoaderTest();

        //使用我们自定义的类去加载className

        Class clazz = clt.loadClass(className);

        //反射创建test类对象

        Object test = clazz.newInstance();

        //反射获取方法

        Method method = test.getClass().getMethod("hello");

        //反射去调用执行方法

        String str = (String) method.invoke(test);

        System.out.println(str);

    }

}

执行了test类的hello方法

一些思考

上面自定义ClassLoader流程也可以小结一下

准备自定义类，编译为.class文件

将.class文件内容专为bytes数组

自定义ClassLoader，继承ClassLoader类，重写findClass()方法，在方法中定义对指定类的处理流程

主函数创建自定义ClassLoader对象并loadClass()指定类，如果自定义的ClassLoader完成了加载则会获得该类的class对象，后续可通过反射来深入利用（如执行某个方法）。

那ClassLoader对于安全来说能做什么？

1、个人这里目前想到的是代替Class.forName()，通过ClassLoader.loadClass()获取class对象

@Test

public void classLoaderRuntime() throws Exception {

    Class<?> aClass = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("java.lang.Runtime");

    Runtime runtime = (Runtime) aClass.getMethod("getRuntime").invoke(aClass);

    runtime.exec("open -a Calculator");

}

2、加载恶意类

如webshell中（之前有次攻防捕捉到一个webshell里面用到了classloader）或者内存马中应该也可以用到，待研究。

3、... 应该还有很多。

Reference

上面很多内容都是参考下面文章学习到的，可能写的并不是很正确，建议阅读下面这些文章

javasec.org

https://www.cnblogs.com/nice0e3/p/13719903.html

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/73413292

https://blog.csdn.net/CNAHYZ/article/details/82219210

https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413

https://blog.csdn.net/codeyanbao/article/details/82875064