Java Cipher - PBE 线程安全问题
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【中文标题】Java Cipher - PBE 线程安全问题【英文标题】：Java Cipher - PBE thread-safety issue 【发布时间】：2018-04-08 20:48:47 【问题描述】：我的 Cipher 和/或 PBEKeySpec 似乎存在线程安全问题。
JDK：1.8.0_102、1.8.0_151 和 9.0.1+11 PBKDF2 算法：PBKDF2WithHmacSHA1 密码算法：AES/CFB/NoPadding 密钥算法：AES我知道如果我们使用相同的实例，这些类是不安全的，但事实并非如此，我在每次解码时都会得到一个新实例。 但即便如此，有时解码失败，也没有例外，只是一个意想不到的解码值。
我已经能够重现该问题：
@Test
public void shouldBeThreadSafe()
final byte[] encoded =
27, 26, 18, 88, 84, -87, -40, -91, 70, -74, 87, -21, -124,
-114, -44, -24, 7, -7, 104, -26, 45, 96, 119, 45, -74, 51
;
final String expected = "dummy data";
final Charset charset = StandardCharsets.UTF_8;
final String salt = "e47312da-bc71-4bde-8183-5e25db6f0987";
final String passphrase = "dummy-passphrase";
// Crypto configuration
final int iterationCount = 10;
final int keyStrength = 128;
final String pbkdf2Algorithm = "PBKDF2WithHmacSHA1";
final String cipherAlgorithm = "AES/CFB/NoPadding";
final String keyAlgorithm = "AES";
// Counters
final AtomicInteger succeedCount = new AtomicInteger(0);
final AtomicInteger failedCount = new AtomicInteger(0);
// Test
System.setProperty("java.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism", "10");
IntStream.range(0, 1000000).parallel().forEach(i ->
try
SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance(pbkdf2Algorithm);
KeySpec spec = new PBEKeySpec(passphrase.toCharArray(), salt.getBytes(charset), iterationCount, keyStrength);
SecretKey tmp = factory.generateSecret(spec);
SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(tmp.getEncoded(), keyAlgorithm);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(cipherAlgorithm);
int blockSize = cipher.getBlockSize();
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(Arrays.copyOf(encoded, blockSize));
byte[] dataToDecrypt = Arrays.copyOfRange(encoded, blockSize, encoded.length);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key, iv);
byte[] utf8 = cipher.doFinal(dataToDecrypt);
String decoded = new String(utf8, charset);
if (!expected.equals(decoded))
System.out.println("Try #" + i + " | Unexpected decoded value: [" + decoded + "]");
failedCount.incrementAndGet();
else
succeedCount.incrementAndGet();
catch (Exception e)
System.out.println("Try #" + i + " | Decode failed");
e.printStackTrace();
failedCount.incrementAndGet();
);
System.out.println(failedCount.get() + " of " + (succeedCount.get() + failedCount.get()) + " decodes failed");
输出：
Try #656684 | Unexpected decoded value: [�jE |S���]
Try #33896 | Unexpected decoded value: [�jE |S���]
2 of 1000000 decodes failed
我不明白这段代码怎么会失败，Cipher 和/或 PBEKeySpec 类中是否存在错误？还是我在测试中遗漏了什么？
非常欢迎任何帮助。
更新
OpenJDK 问题：https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8191177
【问题讨论】：
在 Windows 7 SP1 上与 jdk1.8.0_112 的结果相同。作为 JUnit 测试运行时很少可重现。在发布模式下作为应用运行时更常见。 用 jdk1.8.0_151 和 9.0.1+11 测试过，还是有问题 有趣，如果它会产生使用线程执行器而不是并行流运行的任何错误。 嗯，直接替换为 10 线程ThreadPollExecutor 和 Runnable 到目前为止，在 1000 万次迭代中没有显示任何问题。尝试使用 JDK 1.8.0_112 和 1.7.0_55。
另一种理论 - com.sun.crypto.provider.PBKDF2KeyImpl 具有终结器，其中 key:byte[] 被重置为零并设置为空。可能，虽然看似不可能，但在执行解码时会以某种方式影响密钥。如果我在PBKDF2KeyImpl.getEncoded() 中停止调试器并在方法返回之前用0 填充this.key，似乎我得到完全相同的错误。即使终结器与此无关，但至少有一个事实可能是正确的——编码值是用全零密钥解密的。
【参考方案1】：
确实是PBKDF2KeyImpl.getEncoded()方法中的一个JDK bug。
错误报告https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8191177 和相关问题https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8191002 中的更多详细信息。
它已在 Java 2018 年 1 月 CPU 版本中修复并发布。
更新：JDK 9 及更高版本已通过使用reachabilityFence() 修复了此问题。
由于早期版本的 JDK 中缺少此栅栏，您应该使用解决方法：« as first discovered by Hans Boehm, it just so happens that one way to implement the equivalent of reachabilityFence(x) even now is "synchronized(x) " »
在我们的例子中，解决方法是：
SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance(pbkdf2Algorithm);
KeySpec spec = new PBEKeySpec(passphrase.toCharArray(), salt.getBytes(charset), iterationCount, keyStrength);
SecretKey secret = factory.generateSecret(spec);
SecretKeySpec key;
//noinspection SynchronizationOnLocalVariableOrMethodParameter
synchronized(secret)
key = new SecretKeySpec(secret.getEncoded(), keyAlgorithm);
【讨论】：
【参考方案2】：我倾向于认为这很可能是与终结和数组相关的 JVM 错误的表现。下面是一个更通用的测试用例。使用java -Xmx10m -cp . UnexpectedArrayContents 运行，堆越小越有可能失败。不确定对clone() 的调用是否真的很重要，只是试图接近原始的sn-p。
// Omitting package and imports for brevity
// ...
public class UnexpectedArrayContents
void demonstrate()
IntStream.range(0, 20000000).parallel().forEach(i ->
String expected = randomAlphaNumeric(10);
byte[] expectedBytes = expected.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
ArrayHolder holder = new ArrayHolder(expectedBytes);
byte[] actualBytes = holder.getBytes();
String actual = new String(actualBytes, StandardCharsets.UTF_8);
if (!Objects.equals(expected, actual))
System.err.println("attempt#" + i + " failed; expected='" + expected + "' actual='" + actual + "'");
System.err.println("actual bytes: " + DatatypeConverter.printHexBinary(actualBytes));
);
static class ArrayHolder
private byte[] _bytes;
ArrayHolder(final byte[] bytes)
_bytes = bytes.clone();
byte[] getBytes()
return _bytes.clone();
@Override
protected void finalize()
throws Throwable
if (_bytes != null)
Arrays.fill(_bytes, (byte) 'z');
_bytes = null;
super.finalize();
private static final String ALPHA_NUMERIC_STRING = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789";
private static final Random RND = new Random();
static String randomAlphaNumeric(int count)
final StringBuilder sb = new StringBuilder();
while (count-- != 0)
int character = RND.nextInt(ALPHA_NUMERIC_STRING.length());
sb.append(ALPHA_NUMERIC_STRING.charAt(character));
return sb.toString();
public static void main(String[] args)
throws Exception
new UnexpectedArrayContents().demonstrate();
更新：
现在该错误被跟踪为JDK-8191002。受影响的版本：8、9、10。
【讨论】：
我已经为此提交了错误报告。 我会尽量找时间测试一下。我已经打开了一个问题，但你的更准确 我的错误报告已经链接到你的：bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=JDK-8191177 我对幕后发生的事情的评估是错误的——OpenJDK 的人似乎有一个better explanation。因此，不当行为的原因是过早的（非常违反直觉但与 JLS 一致）终结器调用，而密钥被克隆到getEncoded 方法中。我想一个可能的解决方法是提示编译器在此调用后仍使用密钥。他们将错误标记为重复，但我希望他们在 com.sun.crypto.provider 包以及 JDK 中的其他事件中修复它。以上是关于Java Cipher - PBE 线程安全问题的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章