Java中4种安全沙箱机制之class文件检验器

简介

jvm的.class文件检验器用于检查.class文件是否拥有合法的内存结构，这种检查是有必要的，因为java的.class文件可能来自本机，也可能来自网络，可能是你自己编译的文件，也可能是别人篡改过的文件。而对于jvm来说，一个.class文件就是一个字节序列，它不会过问字节序列的来源，只会校验字节序列的结构是否正确。

.class文件检验器保证安全的措施就是检验.class文件字节码的健壮性，比如某个.class文件是被恶意篡改过的，这个.class文件中包含一个方法，该方法有一条goto指令，直接跳到方法外部去执行未知的代码，如果执行该方法，很可能会导致jvm崩溃。所以，由.class文件检验器检查字节码的健壮性是很有必要的。

虽然.class文件检验器检查字节码能保证程序的健壮性，然后这是需要牺牲一些性能的；为了将这种影响降到最低，.class文件检验器会在字节码执行之前完成大部分的检验工作，也就是说，.class文件检验器会在字节码执行前而不是执行中进行检查，而且这种检查只会进行一次。比如每次遇到一条跳转指令.class文件检验器都会确认该跳转指令跳转到了另外一条合法指令，而该指令是是在同一方法的字节流中的。

.class文件检验器会进行四次独立的扫描来保证字节码的合法性。第一趟扫描在类装载时进行，这次会检查.class文件的内部结构，以保证它能被安全的编译；第二趟和第三趟扫描是在连接时进行的，这时会检查.class文件的数据定义是否遵从了java语言的语义规范，还会检查字节码的完整性；第四趟扫描是在解析符号引用时进行的，这次会检查.class文件所引用的字段、方法和类是否存在。

第一趟扫描

在.class文件被装载时，会进行第一次扫描，这时.class文件检验器会检查每一条字节序列，看它是否符合java class文件的基本结构。首先，检验器会检查.class文件是否以魔数0XCAFEBABY开头，这个魔数的作用是为了区分一些明显错误的或被破坏的.class文件。然后，检验器会检查.class文件的主版本号和次版本号，这个版本号必须在jvm所支持的范围之内，比如我用java8编译编译的.class文件放在java6的jvm内执行会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError，因为java6不支持java8的一些新特性比如lambda表达式，所以不能去执行java8的编译器编译的字节码；然后java一般都是向后兼容的，比如java8的jvm是能执行java6编译的.class文件的。第一趟扫描主要是检查.class文件是否遵从了java
class文件的固定格式，这样才能字节码编译成方法区内的内部数据结构。

第二趟扫描

第二趟扫描会进行数据类型的语义检查，它不会再去检查.class文件的二进制数据了，而是会去检查方法区中定义的数据结构。类中定义的字段、方法和方法描述符等在.class文件中都会存储为一个字符串，检验器会检查这些字符串是否符合java规范；检验器还会检查类本身是否符合java语言规范，比如java语言规定除了Object类外所有类都必须有一个父类；检查器还会检查被final修饰的类（比如String.class）是否被继承，同样也会检查被final修饰的方法是否被覆盖，如果出现错误会抛出java.lang.VerifyError。检验器还会检查常量池里定义的常量是否合法，它会检查常量的索引会指向正确的常量池条目。

第三趟扫描

第三趟扫描会进行字节码验证，字节码检查会确认字节码的操作码的正确性，也会确保操作数栈包含正确的数值和类型，还会检查类的方法被调用时会传入正确的参数和参数类型。检验器在第三趟扫描会进行大量的操作，比如会检验所有的操作码都有一个合法的操作数等，在这趟扫描过后，它需要保证.class文件的字节码流可以被jvm安全地执行。然后检验器并不能检查出所有的安全问题，比如“停机问题”它就不能检查出来。停机问题是一个著名的计算机领域问题，即不能写出一个程序，用它来判断作为其输入的某个程序在执行时是否会停机。

第四趟扫描

第四趟扫描是在符号的动态连接时进行检查，检验器会检查符号引用是否合法；因为这次扫描需要检查该class类所引用的类，所以这是可能需要装载新的类；然而为了节约内存并保证程序正确性，jvm会使用延迟加载的策略来装载类，即直到类被程序真正使用时才会去装载。如果一个jvm实现为了加快装载速度预先装载了类，它还是会表现为延迟装载。比如jvm在预装载某个类时发现这个类不存在，它并不会马上抛出NoClassDefFoundError，而是直到这个缺少的类被程序使用时才抛出异常。如果jvm进行预先连接，第四次扫描会紧接着第三次扫描立刻执行；而如果jvm进行延迟连接（即在某个引用第一次执行时才连接），那么第四趟扫描可能在第三趟扫描之后很久才执行（甚至不执行）。