Java应用程序的安全沙箱机制是什么

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

<code class="hljs java">class File {<br>  // 判断一个磁盘文件是否存在<br>  public boolean exists() {<br>    SecurityManager security = System.getSecurityManager();<br>    if (security != null) {<br>      security.checkRead(path);<br>    }<br>    ...<br>  }<br>}<br></code>

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

<code class="hljs cs">class Socket {<br>  public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) {<br>    ...<br>    SecurityManager security = System.getSecurityManager();<br>    if (security != null) {<br>       if (epoint.isUnresolved())<br>          security.checkConnect(epoint.getHostName(), port);<br>       else<br>          security.checkConnect(addr.getHostAddress(), port);<br>       }<br>    }<br>    ...<br>  }<br>}<br></code>

再看服务端套接字的源码，它会检查端口的监听权限

<code class="hljs cs">class ServerSocket {<br>  public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) {<br>    ...<br>    SecurityManager security = System.getSecurityManager();<br>    if (security != null)<br>       security.checkListen(epoint.getPort());<br>    ...<br>  }<br>}<br></code>

似乎所有和 IO 操作有关的方法调用都需要进行安全检查。看起来IO操作相关的权限检查是可理解的，用户进程不能随意访问所有的IO资源。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？

<code class="hljs cs">class System {<br>  public static String getenv(String name) {<br>    SecurityManager sm = getSecurityManager();<br>    if (sm != null) {<br>       sm.checkPermission(new RuntimePermission("getenv."+name));<br>    }<br>    return ProcessEnvironment.getenv(name);<br>  }<br>}<br></code>

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。通常情况下，针对 Applet 的限制非常严格，一般不允许 Applet 操作本地文件。执行具体 IO 操作前，一旦 Java 的安全检查通过，操作系统仍会进行权限检查。

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

<code class="hljs shell">$ java -Djava.security.manager xxx<br>$ java -Djava.security.manager -DDjava.security.policy="${policypath}"<br></code>

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

<code class="hljs dart">// 内置扩展库授权规则<br>// 表示 JAVA_HOME/jre/lib/ext/ 目录下的类库可以全权访问任意资源<br>// 包含 javax.swing.*, javax.xml.*, javax.crypto.* 等等<br>grant codeBase "file:${{java.ext.dirs}}/*" {<br> permission java.security.AllPermission;<br>};<br><br>// 其它类库授权规则<br>grant {<br> // 允许线程调用自己的 stop 方法自杀<br> permission java.lang.RuntimePermission "stopThread";<br> // 允许程序监听 localhost 的随机可用端口，不允许随意订制端口<br> permission java.net.SocketPermission "localhost:0", "listen";<br> // 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<br> permission java.util.PropertyPermission "java.version", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vendor", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vendor.url", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.class.version", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "os.name", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "os.version", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "os.arch", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "file.separator", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "path.separator", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "line.separator", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.specification.version", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.specification.vendor", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.specification.name", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.version", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.vendor", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vm.specification.name", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vm.version", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vm.vendor", "read";<br> permission java.util.PropertyPermission "java.vm.name", "read";<br>};<br></code>

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。即使通过了安全检查，操作系统的权限检查也有可能失败，此时将会抛出其他类型的异常。

如果按照上面所配置的规则，使用默认安全策略的 JVM 将无法访问本地文件，因为授权规则使用的是白名单。如果需要访问本地文件，可以增加下面的规则

<code class="hljs lua">permission java.io.FilePermission "/etc/passwd", "read";<br>permission java.io.FilePermission "/etc/shadow", "read,write";<br>permission java.io.FilePermission "/xyz", "read,write,delete";<br>// 允许读所有文件<br>permission java.io.FilePermission "*", "read";<br></code>

Permission 的配置参数正好对应了它的构造器参数

<code class="hljs java">public FilePermission(String path, String actions) {<br>  super(path);<br>  init(getMask(actions));<br>}<br></code>

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

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。要扩展很容易，只需编写一个 Permission 子类，并实现其四个抽象方法。

<code class="hljs java">abstract class Permission {<br>  // 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<br>  // 它的意义是子类可定制的<br>  private String name;<br>  // 当前权限对象是否隐含了 other 权限<br>  // 比如 AllPermission 的这个方法总是返回 true<br>  public abstract boolean implies(Permission other);<br>  // equals 和 hashcode 用于权限比较<br>  public abstract boolean equals(Object obj);<br>  public abstract int hashCode();<br>  // 权限选项 read,write,xxx<br>  public abstract String getActions();<br>}<br><br>class CustomPermission extends Permission {<br>  private String actions;<br>  CustomPermission(string name, string actions) {<br>    super(name)<br>    this.actions = actions;<br>  }<br>  ...<br>}<br></code>

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。

<code class="hljs cs">class CustomAPI {<br>  public void someMethod() {<br>    SecurityManager sec = System.getSecurityManager();<br>    if(sec != null) {<br>      sec.CheckPermission(new CustomPermission("xname", "xactions"));<br>    }<br>    ...<br>  }<br>}<br></code>

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。

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