Soot 静态分析框架模块分析

Posted 2022-11-17 raintungli

Java 9里开始支持模块化，以一个独立的开源项目jigsaw而来, 具体可以参考链接，

https://openjdk.java.net/projects/jigsaw/  同时也可以参考JSR376标准

 

1. module-info 分析

在模块化的时候，需要构建module_info.java来声明模块之间的关系，

在Module声明里面定义了requires ,exports, opens, uses, provides 5种类型，关于这几种类型的作用就不在这里详细介绍了。

在字节码种并没有单独的opcode，只是用一种固定的顺序进行定义，以requires ,exports, opens, uses, provides这个顺序来排序

我们来看一下以下的一段bytecode

2                                       // requires     #8,0                                    // pointto     #0     #10,8000                                // "java.base" ACC_MANDATED     #0   0                                       // exports   0                                       // opens   1                                       // uses     #12                                     // testRequire/service   1                                       // provides     #12                                     // testRequire/service with ... 1       #14                                     // ... with testRequire/ServiceImpl

第一个2表示requires,同时表示有几个requires，下面的缩进行代表着有哪2个，#10,8000表示的是8000表示的是16进制的ACC_Flag 修饰符

其中requires的ACC独有的修饰符（TRANSITIVE，STATIC）

SYNTHETIC，MANDATED是共用的ACC修饰符

每个Flag定义的值为

TRANSITIVE	0x20
STATIC	0x40
SYNTHETIC	0x1000
MANDATED	0x8000

其本质上是通过bit位来设置不同的值的合集

第二个0代表着exports，第三个0代表着opens第四个1代表着uses,第五个1代表着provides，当值为非0的时候下一行就会缩进，代表着共有几个这样的类型，格式比较简单。但是我们从这种结构看出只能增加新的类型，同时类型顺序无法修改和删除，否则很难向下兼容。

这里简单的提一下这几个关键字

uses, provides，这个主要是对Java的SPI机制

Opens 主要是对Java的类反射机制，都是很有针对性的对Java提供的原生态的能力进行了管控。

 

2.Soot模块支持

Soot 的原来主版本目前并不支持模块分析，在Soot的Java9的branch孵化，目前已经合到主版本

 

2.1 Soot设置模块

Soot 需要显示的设置模块的相关信息

Options.v().set_soot_modulepath(path);

Soot会通过设置的模块的路径去加载类

需要注意的是：基础模块java.base

你不需要设置基础模块的地址，Soot里面会去自己寻找基础模块，如何寻找请参考下面的章节。

 

Soot 本身是使用运行的jdk 加载基础模块的，那就是说Soot的加载基础模块是绑定你的运行的jdk的，你无法通过设置模块相关参数来设置基础模块，通常基础模块都被打包成了jmod文件，Soot解析jmod文件是通过运行soot的jdk来解析的，jmod基础类的读取就的依赖运行jdk的能力，如果你想用一个运行jdk的版本来分析不同的版本jdk基础类，就会变的困难，不过好在java的基础类是向下兼容的，确保升级到最新的版本，可以确保能分析低版本的基础类。Soot内部会添加VIRTUAL_FS_FOR_JDK这个值到modulepath中去，用来标示基础类的路径。

如果你运行的Soot的jdk是低版本的，或许还有条路可以试试，解开jmod文件，设置到你的模块路径下，这种方式适合在不高于jdk8的版本方式上，同时你还的设置：

Options.v().set_prepend_classpath(false);

      

 

 

 

5.2 Soot 加载模块

ModulePathSourceLocator是查找模块路径和类文件的核心模块：

1. 模块名字和模块的路径
2. 获取模块下的类文件

通过ModulePathSourceLocator.

FoundFile lookUpInModulePath(String filename)方法去查找你想要获取的模块里的class

1. Soot首先会去查找模块所绑定的路径，在soot开始分析的时候，初始化参数里并没有设置模块的路径，只能通过顺序查找你定义的modulepath下的模块路径
2. 顺序解析模块路径下的模块：简单解析路径下的所有模块的module-info文件，只是为了获取模块的定义，并分析该路径下的模块以及该模块下的所有的类，构建模块和class的关系，（当然这个时候并不会去解析class），而是构建className和模块的关系，但是soot在这里并没有缓存这个关系，而是构建和缓存了模块名字和路径的关系，直到找到模块的路径

 

   3. 深度解析该模块所在路径下的module-info 文件，分析requires的部分，构建模块间的依赖，分析依赖模块下的module-info，细节可参考5.2.5注：在Java虚拟机编译中，会对自定义的module-info的类，在编译过程中自动添加java.base的模块依赖，默认依赖java.base的基本模块。在这种场景下，soot会分析基础模块java.base的module-info， 通过查找基础模块的路径（重复步骤a,b）， 找到java.base的module-info进行解析

    4. 找到模块所对应的class文件，将FoundFile返回，如何找到所对应的模块请参考下面

 

 

5.3 模块的依赖关系

 

Java使用模块的方式进行类的管控，Soot里在LoadClass的时候需要准确的找到模块里的类，以确定该类是否能被模块加载，核心代码在ModuleUtil里findModuleThatExports方法，其原则如下：

Java里的module管控是基于Package的，只需要鉴权Package就足够。

1. 首先分析要加载的模块的Module-info，该模块下的包是否包含该Package
2. 如果不包含，读取该模块的Requires的模块，对依赖的模块进行module-info的分析
3. 如果该module-info的export里包含该package，一种是export to 指定到该模块，如果没有to代表所有模块都可以使用。
4. 链式访问requires transitive模块，对模块的module-info进行分析，分析逻辑和步骤3一致，直到链路的最后一层模块

 

5.4  如何获取模块下的class文件

 

通过ModulePathSourceLocator可以获取模块下的class文件，这里涉及到模块的两种表示方式

1.  自定义的模块：打包成jar或者直接class，这和原来获取jar下的class一样，区别主要是需要解析module-info.class类，获取类的目的是为了获取模块的依赖关系，同时也需要加载require的模块。

2. Java的基础类：清楚Java 模块的知道Java9将原来的rt.jar 替换成了模块的方式，在java_home下会有一个jmods的目录，里面保存着将rt.jar 拆解成多个不同的jmod文件，在Java下面我们可以使用jmod的命令来查看jmod文件的内容。Soot 并没有使用jmod去解析默认的jdk下的基础的这些jmod文件，而是通过jrt的方式去加载jmod，也就是

jrt:/

的方式通过NIO File 去解析文件，其本质是通过lib下的jrt-fs.jar去解析，所以Soot会先去判断一下该文件是否存在。如果存在，Soot会将jrt:/加到需要分析的模块逻辑中。

注意：如果是jar的方式，分析module只需要直接设置路径就可以了，而如果是jmod 的方式，需要jrt:/的方式去分析

 

jrt的访问方式默认的起始路径是以modules，也就是对应的jmods目录

jrt:/modules/

访问JRT的方式可以使用NIO的Path，Path是支持jrt的方式，而传统的File是不支持jrt的路径访问方式，这里要特别注意。

 

 

 

5.5 加载分析类

在前面的段落里提到过Soot的核心函数Scene，对模块的解析，Soot提供了新的ModuleScene 来支持，当加载class的时候，在模块的方式下需要使用ModuleScene来加载类，代码如下：

public static SootClass loadClass(String name, boolean main, String module)       SootClass c = ModuleScene.v().loadClassAndSupport(name, Optional.of(module));       c.setApplicationClass();       if (main)          Scene.v().setMainClass(c);       return c;

需要使用name和模块名字来加载class，而原来的方式只需要提供class的名字

 

private static SootClass loadClass(String name, boolean main)       SootClass c = Scene.v().loadClassAndSupport(name);       c.setApplicationClass();       if (main)          Scene.v().setMainClass(c);       return c;

 

5.6 加载模块特有的module-info类

解析模块下的类，Soot 沿用原来的框架思路通过Scene来进行加载，本质上使用SootResolver来进行class解析，而不同的是定义了新ModuleScene类来进行加载，使用SootModuleResolver 对模块下的class解析，思路类似：先构建class的引用，然后加到工作队列中，最后获取工作队列进行类的解析(ResolveClass)，具体流程可以参考下面的图：

 

在分析Module-info的类的bytecode的时候，Soot继续沿用了objweb的asm解析框架，使用opcode v7.1的版本，可以支持最高java13的版本。和解析普通的类不一样的是Soot在SootClassBuilder通过构建SootModuleInfoBuilder 去实现asm提供的ModuleVisitor的接口。对Module-info.class里单独定义了SootModuleInfo类，而不是常见的SootClass，当然SootModuleInfo继承SootClass。

可见下图：

 

 

在上图可以看到SootModuleInfo里只是封装了export,open,require 这3种类型，具体的实现是在SootModuleInfoBuilder的代码中，Soot目前不支持uses, provides这2种类型，就是SPI的模式。

 

5.6.1 关键字requires

关键字requires里，是支持version有多个版本，在代码中是无法声明的，但是在编译的字节码里是声明的。

Module:   #5,0                                    // "com.example.hello"   #0   1                                       // requires     #6,8000                                 // "java.base" ACC_MANDATED     #7                                      // 11.0.5   1                                       // exports     #8,0                                    // com/example/hello   0                                       // opens   0                                       // uses   0                                       // provides

上面的例子里#7 11.0.5 代表的就是requires的版本，虽然require是有版本的，但是java里并不是必须的，我们可以从openjdk的项目声明看出：

http://openjdk.java.net/projects/jigsaw/spec/reqs/02#version-selection

虽然module里requires有明确的版本，但并没有希望在module里去严格执行版本管控，而是依赖于构建工具。模块系统只需要校验所选的模块集合满足每个模块的依赖即可，无需关注版本。在这个思路上Soot是一致的，Soot并没有对module-info中提供的版本构建版本的依赖分析，也就是并没有对依赖进行版本管控。

 

5.6.2 关键字exports

       export 代表着允许被外部模块访问的package，同时exports 也和to搭档进行外部模块的指定

 

在上图中，在soot里exportPackage是个列表，每个列表里的key是packageName，而value是指定的多个模块名字。当没有没有指定to的时候，value里面soot保存的是EVERYONE_MODULE代表着任何模块都可以使用。