Java安全-ClassLoader

目录

• 1.类加载机制
• 2.类加载方式
• 3.ClassLoader
• 4.类加载流程
• 加载
• 链接
• 初始化
• 5.双亲委派机制
• 基本概念
• 自定义ClassLoader
• 编写测试类
• 编译为.class文件
• class转换bytes
• 自定义ClassLoader

1.类加载机制

Java中的源码.java后缀文件会在运行前被编译成.class后缀文件，文件内的字节码的本质就是一个字节数组 ，它有特定的复杂的内部格式，Java类初始化的时候会调用java.lang.ClassLoader加载字节码，.class文件中保存着Java代码经转换后的虚拟机指令，当需要使用某个类时，虚拟机将会加载它的.class文件，并创建对应的class对象，将class文件加载到虚拟机的内存，而在JVM中类的查找与装载就是由ClassLoader完成的，而程序在启动的时候，并不会一次性加载程序所要用的所有class文件，而是根据程序的需要，来动态加载某个class文件到内存当中的，从而只有class文件被载入到了内存之后，才能被其它class所引用。所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

2.类加载方式

Java类加载方式分为显式和隐式

显式：利用反射来加载一个类

隐式：通过ClassLoader来动态加载，new 一个类或者 类名.方法名返回一个类

示例代码:

@Test
public void loadClassTest() throws Exception {
    //1、反射加载
    Class<?> aClass = Class.forName("java.lang.Runtime");
    System.out.println(aClass.getName());

    //2、ClassLoader加载
    Class<?> aClass1 = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("java.lang.ProcessBuilder");
    System.out.println(aClass1.getName());

}

那也就是其实可以通过ClassLoader.loadClass()代替Class.forName()来获取某个类的class对象。

3.ClassLoader

ClassLoader（类加载器）主要作用就是将class文件读入内存，并为之生成对应的java.lang.Class对象

JVM中存在3个内置ClassLoader：

• BootstrapClassLoader 启动类加载器 负责加载 JVM 运行时核心类，这些类位于 JAVA_HOME/lib/rt.jar 文件中，我们常用内置库 java.xxx.* 都在里面，比如 java.util.*、java.io.*、java.nio.*、java.lang.* 等等。
• ExtensionClassLoader 扩展类加载器 负责加载 JVM 扩展类，比如 swing 系列、内置的 js 引擎、xml 解析器 等等，这些库名通常以 javax 开头，它们的 jar 包位于 JAVA_HOME/lib/ext/*.jar 中
• AppClassLoader 系统类加载器 才是直接面向我们用户的加载器，它会加载 Classpath 环境变量里定义的路径中的 jar 包和目录。我们自己编写的代码以及使用的第三方 jar 包通常都是由它来加载的。

除了Java自带的ClassLoader外，还可以自定义ClassLoader，自定义的ClassLoader都必须继承自java.lang.ClassLoader类，也包括Java提供的另外二个ClassLoader（Extension ClassLoader和App ClassLoader）在内，但是Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader，因为它不是一个普通的Java类，底层由C++编写，已嵌入到了JVM内核当中，当JVM启动后，Bootstrap ClassLoader也随着启动，负责加载完核心类库后，并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。

4.类加载流程

类加载指的是在.java文件编译成.class字节码文件后，当需要使用某个类时，虚拟机将会加载它的.class文件，将.class文件读入内存，并在内存中为之创建一个java.lang.Class对象。但是实现步骤看起来会比较空洞和概念化，暂时不去深入研究，理解类加载是做什么的并了解加载过程即可。后续有刚需再去深入。

类加载大致分为三个步骤：加载、连接、初始化。

加载

类加载指的是将class文件读入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象，即程序中使用任何类时，也就是任何类在加载进内存时，系统都会为之建立一个java.lang.Class对象，这个Class对象包含了该类的所有信息，如Filed，Method等，系统中所有的类都是java.lang.Class的实例。
类的加载由类加载器完成，JVM提供的类加载器叫做系统类加载器，此外还可以通过自定义类加载器加载。
通常可以用如下几种方式加载类的二进制数据：

从本地文件系统加载class文件。

从JAR包中加载class文件，如JAR包的数据库启驱动类。

通过网络加载class文件。

把一个Java源文件动态编译并执行加载。

链接

链接阶段负责把类的二进制数据合并到JRE中，其又可分为如下三个阶段：

验证：确保加载的类信息符合JVM规范，无安全方面的问题。
准备：为类的静态Field分配内存，并设置初始值。
解析：将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。

初始化

类加载最后阶段，若该类具有超类，则对其进行初始化，执行静态初始化器和静态初始化成员变量(如前面只初始化了默认值的static变量将会在这个阶段赋值，成员变量也将被初始化

5.双亲委派机制

基本概念

前面提到了Java自带3个ClassLoader，包括我们也可以实现自定义ClassLoader完成类加载，但是具体某个类的加载用的是哪个ClassLoader呢。这里涉及到一个双亲委派机制（PS：这个我看网上有讲的是委托也有是委派，个人觉得委派好听，先这么叫着:D）

这里丢个图，基本概述了双亲委派机制（先走蓝色箭头再走红色箭头）

双亲委派简单理解：向上委派，向下加载

当一个.class文件要被加载时。不考虑我们自定义类加载器，首先会在AppClassLoader中检查是否加载过，如果有那就无需再加载了。如果没有，那么会拿到父加载器，然后调用父加载器的loadClass方法。父类中同理也会先检查自己是否已经加载过，如果没有再往上。注意这个类似递归的过程，直到到达Bootstrap classLoader之前，都是在检查是否加载过，并不会选择自己去加载。直到BootstrapClassLoader，已经没有父加载器了，这时候开始考虑自己是否能加载了（向上委派）; 如果自己无法加载，会下沉到子加载器去加载，一直到最底层（向下加载）。如果没有任何加载器能加载，就会抛出ClassNotFoundException异常。

为什么呢？

那么为什么加载类的时候需要双亲委派机制呢？

采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。

其次是，如果有人想替换系统级别的类：String.java。篡改它的实现，在这种机制下这些系统的类已经被Bootstrap classLoader加载过了（为什么？因为当一个类需要加载的时候，最先去尝试加载的就是BootstrapClassLoader），所以其他类加载器并没有机会再去加载，从一定程度上防止了危险代码的植入。

自定义ClassLoader

先看下ClassLoader这个类中的核心方法

ClassLoader核心方法：

• loadClass(加载指定的Java类)

一般实现这个方法的步骤是:执行findLoadedClass(String)去检测这个class是不是已经加载过了。
执行父加载器的loadClass方法。如果父加载器为null则jvm内置的加载器去替代,也就是Bootstrap ClassLoader。这也解释了ExtClassLoader的parent为null,但仍然说Bootstrap ClassLoader是它的父加载器。如果向上委托父加载器没有加载成功;则通过findClass(String)查找。
如果class在上面的步骤中找到了,参数resolve又是true的话那么loadClass()又会调用resolveClass(Class)这个方法来生成最终的Class对象。

• findClass(查找指定的Java类)
• findLoadedClass(查找JVM已经加载过的类)
• defineClass(定义一个Java类)
• resolveClass(链接指定的Java类)

编写自定义ClassLoader步骤：

• 1、编写一个类继承ClassLoader抽象类；
• 2、重写findClass()方法；
• 3、在findClass()方法中调用defineClass()方法即可实现自定义ClassLoader；

编写测试类

package classloader;

public class test {
    public String hello(){
        return "hello, CoLoo!";
    }
}

编译为.class文件

class转换bytes

public class ByteClass {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.class");
        byte[] classBytes = IOUtils.readFully(fis, -1, false);
        System.out.println(Arrays.toString(classBytes));
    }
}

Output:

[-54, -2, -70, -66, 0, 0, 0, 52, 0, 17, 10, 0, 4, 0, 13, 8, 0, 14, 7, 0, 15, 7, 0, 16, 1, 0, 6, 60, 105, 110, 105, 116, 62, 1, 0, 3, 40, 41, 86, 1, 0, 4, 67, 111, 100, 101, 1, 0, 15, 76, 105, 110, 101, 78, 117, 109, 98, 101, 114, 84, 97, 98, 108, 101, 1, 0, 5, 104, 101, 108, 108, 111, 1, 0, 20, 40, 41, 76, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 83, 116, 114, 105, 110, 103, 59, 1, 0, 10, 83, 111, 117, 114, 99, 101, 70, 105, 108, 101, 1, 0, 9, 116, 101, 115, 116, 46, 106, 97, 118, 97, 12, 0, 5, 0, 6, 1, 0, 13, 104, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 67, 111, 76, 111, 111, 33, 1, 0, 16, 99, 108, 97, 115, 115, 108, 111, 97, 100, 101, 114, 47, 116, 101, 115, 116, 1, 0, 16, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 79, 98, 106, 101, 99, 116, 0, 33, 0, 3, 0, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 6, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 29, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 42, -73, 0, 1, -79, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 1, 0, 9, 0, 10, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 27, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 18, 2, -80, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 0, 1, 0, 11, 0, 0, 0, 2, 0, 12]

自定义ClassLoader

package classloader;

import java.lang.reflect.Method;

public class ClassLoaderTest extends ClassLoader {

    private static String className = "classloader.test";
    //转换byte后的字节码
    private static byte[] classBytes = new byte[]{54, -2, -70, -66, 0, 0, 0, 52, 0, 17, 10, 0, 4, 0, 13, 8, 0, 14, 7, 0, 15, 7, 0, 16, 1, 0, 6, 60, 105, 110, 105, 116, 62, 1, 0, 3, 40, 41, 86, 1, 0, 4, 67, 111, 100, 101, 1, 0, 15, 76, 105, 110, 101, 78, 117, 109, 98, 101, 114, 84, 97, 98, 108, 101, 1, 0, 5, 104, 101, 108, 108, 111, 1, 0, 20, 40, 41, 76, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 83, 116, 114, 105, 110, 103, 59, 1, 0, 10, 83, 111, 117, 114, 99, 101, 70, 105, 108, 101, 1, 0, 9, 116, 101, 115, 116, 46, 106, 97, 118, 97, 12, 0, 5, 0, 6, 1, 0, 13, 104, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 67, 111, 76, 111, 111, 33, 1, 0, 16, 99, 108, 97, 115, 115, 108, 111, 97, 100, 101, 114, 47, 116, 101, 115, 116, 1, 0, 16, 106, 97, 118, 97, 47, 108, 97, 110, 103, 47, 79, 98, 106, 101, 99, 116, 0, 33, 0, 3, 0, 4, 0, 0, 0, 0, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 6, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 29, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 42, -73, 0, 1, -79, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 1, 0, 9, 0, 10, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 27, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 18, 2, -80, 0, 0, 0, 1, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 0, 1, 0, 11, 0, 0, 0, 2, 0, 12};

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        //只处理classloader.test类
        if (name.equals(className)) {
            //调用definClass将一个字节流定义为一个类。
            return defineClass(className, classBytes, 0, classBytes.length);
        }
        return super.findClass(name);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建加载器
        ClassLoaderTest clt = new ClassLoaderTest();
        //使用我们自定义的类去加载className
        Class clazz = clt.loadClass(className);
        //反射创建test类对象
        Object test = clazz.newInstance();
        //反射获取方法
        Method method = test.getClass().getMethod("hello");
        //反射去调用执行方法
        String str = (String) method.invoke(test);
        System.out.println(str);

    }
}

执行了test类的hello方法：

一些思考

上面自定义ClassLoader流程也可以小结一下：

1. 准备自定义类，编译为.class文件
2. 将.class文件内容专为bytes数组
3. 自定义ClassLoader，继承ClassLoader类，重写findClass()方法，在方法中定义对指定类的处理流程
4. 主函数创建自定义ClassLoader对象并loadClass()指定类，如果自定义的ClassLoader完成了加载则会获得该类的class对象，后续可通过反射来深入利用（如执行某个方法）。

那ClassLoader对于安全来说能做什么？

1、个人这里目前想到的是代替Class.forName()，通过ClassLoader.loadClass()获取class对象

@Test
public void classLoaderRuntime() throws Exception {
    Class<?> aClass = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("java.lang.Runtime");
    Runtime runtime = (Runtime) aClass.getMethod("getRuntime").invoke(aClass);
    runtime.exec("open -a Calculator");

}

2、加载恶意类

如webshell中（之前有次攻防捕捉到一个webshell里面用到了classloader）或者内存马中应该也可以用到。

恶意类加载还是有必要深入学习一下，给后续学习内存马和反序列化payload打个基础。

首先上面提到了，关于显隐式加载类是有些区别的，显示加载时（反射）可以触发该类的初始化从而调用静态代码块执行，主要是因为使用java.lang.reflect对类进行反射调用时，如果该类没有初始化会先进行类的初始化;而隐式加载，如new，ClassLoader.getSystemClassLoader.loadClass()，不会初始化类也就不执行静态代码块中的内容。

下面简单测试了几个可能会用到的触发类初始化的类加载方式，

简单列举下：

• 默认java.lang.ClassLoader

1. loadClass() + newInstance()
2. Class.forName()
3. Class.forName(ClassName, true, ClassLoaderName) + newInstance()

• org.apache.bcel.util.ClassLoader 也是fj经常用到的,需要注意的是在JDK8u251之后就没有ClassLoader这个类了
• URLClassLoader
• new

Classloader

package classloader;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.Repository;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.JavaClass;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.Utility;
import com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader;

public class ClassLoaderBaseClass {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1、ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass() + 反射newInstance() [+]
        ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("classloader.CalcBaseClass2").newInstance();

        // 0x02 new [+]
        CalcBaseClass2 calcBaseClass2 = new CalcBaseClass2();

        // 0x03 Class.forName() [+]
        Class.forName("classloader.CalcBaseClass2");

        // 0x04 ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass() [-]
        ClassLoaderTest.getSystemClassLoader().loadClass("classloader.CalcBaseClass2");

        // 0x05 Class.forName(className, true, ClassLoaderName)
        Class.forName("classloader.CalcBaseClass", true, java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader());

        // 0x06 bcel
        JavaClass clazz = Repository.lookupClass(CalcBaseClass2.class);
        String code = Utility.encode(clazz.getBytes(), true);
        System.out.println(code);

        new ClassLoader().loadClass("$$BCEL$$" + code).newInstance();

    }
}

calc

package classloader;

import java.io.IOException;

public class CalcBaseClass2 {
    static {
        try {
            Runtime.getRuntime().exec("open -a Calculator");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

到此这篇关于Java安全-ClassLoader的文章就介绍到这了,更多相关Java ClassLoader内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！

参考：

https://www.cnblogs.com/nice0e3/p/13719903.html

http://code2sec.com/javafan-xu-lie-hua-lou-dong-xue-xi-shi-jian-liu-lei-de-jia-zai-ji-zhi-he-e-yi-lei-gou-zao.html

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/73413292

https://blog.csdn.net/CNAHYZ/article/details/82219210

https://blog.csdn.net/briblue/article/details/54973413

https://blog.csdn.net/codeyanbao/article/details/82875064