【Java技术专题】「攻破技术盲区」攻破Java技术盲点之unsafe类的使用指南（打破Java的安全管控— sun.misc.unsafe）

打破Java的安全管控

Java是一种安全而强大的开发工具，它能有效地防止许多低级错误，特别是与内存管理相关的错误。然而，在某些情况下，Unsafe类可以被用于一些高级开发需求，例如在底层内存操作和性能优化方面。Unsafe类确实具有许多强大的功能，如下图所示：

Unsafe类属于sun. API，但并不是J2SE的官方一部分，所以你可能很难找到官方文档进行参考，在开发过程中，我们建议开发者谨慎使用Unsafe类，并遵循Java的最佳实践。尽可能地使用官方支持的API和框架来完成开发任务。这样可以确保代码的安全性和可维护性，并降低潜在错误的风险。*。

关于Unsafe的编程建议

通过使用Unsafe类，开发人员可以直接操作内存，从而实现一些高级功能和性能优化。但是，使用Unsafe类需要非常谨慎，因为它可以绕过Java语言的安全机制，可能导致严重的安全漏洞和内存错误。为了确保安全性和可靠性，开发人员应该遵循Java的最佳实践，并尽量避免使用Unsafe类。

实例化Unsafe后门对象

我们来看一下sun.misc.Unsafe类的源码，如下图所示。

如果尝试创建sun.misc.Unsafe类的实例，是不被允许的，主要基于以下两个原因：

1. Unsafe类的构造函数是私有的，无法直接实例化；
   
2. 虽然Unsafe类提供了静态的getUnsafe()方法，但如果尝试调用Unsafe.getUnsafe()，会导致SecurityException异常。这是因为只有由JDK信任的类才能实例化Unsafe类。
   
   然而，总会存在一些变通的解决办法，其中一个简单的方式是利用反射进行实例化，具体示例代码如下所示：

Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); //Internal reference  
f.setAccessible(true);  
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);  

需要注意的是，IDE（如Eclipse）对于这样的用法可能会报错。不过，不用担心，你可以直接运行代码，它们应该可以正常执行，现在进入主题，使用这个对象我们可以做如下“有趣的”事情。

使用sun.misc.Unsafe

首先，让我们创建一个User类作为我们测试Unsafe操作的目标实体。

public class User {

    private String name;
    private int age;

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

以上是一个简单的User类，包含一个name属性和一个age属性，以及相应的getter和setter方法。这将作为我们接下来进行Unsafe操作的测试实体类。

创建实例

通过使用Unsafe类的allocateInstance()方法，我们可以创建一个类的实例，而无需调用其构造函数、初始化代码、JVM安全检查等底层操作。即使构造函数是私有的，我们也可以使用这个方法来创建实例。

public class UnsafeTest {  

    public static Unsafe  getUnsafe(){
      Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); // Internal reference  
      f.setAccessible(true);  
      Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);  
    }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, SecurityException, Illegal	ArgumentException, IllegalAccessException, InstantiationException {  
        User user = (User ) getUnsafe().allocateInstance(User.class);  
        System.out.println(user.getAge()); // Print 0  
        user.setAge(45); // Let's now set age 45 to un-initialized object  
        System.out.println(user.getAge()); // Print 45  
    }  
}  

在上述示例中，通过调用Unsafe类的allocateInstance()方法实例化了User类的对象。注意，我们并没有直接调用User类的构造函数，而是绕过了它。

注意，虽然使用allocateInstance()方法可以绕过构造函数的限制，但这意味着我们无法执行构造函数中的初始化逻辑。因此，必须谨慎使用此方法，并确保正确地初始化创建的对象。

单例模式处理

对于喜欢使用单例模式的程序员来说，这种方式可能会让他们感到头疼，因为它绕过了阻止此类调用的机制。让我们看一个实例。

public class Singleton {
    // 私有化构造函数，强制使用getInstance()方法获取实例
    private Singleton() {
        // 构造函数逻辑
    }

    private static Singleton instance;

    // 获取单例实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            try {
                // 使用Unsafe类的allocateInstance()方法创建实例
                Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
                instance = (Singleton) unsafe.allocateInstance(Singleton.class);
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return instance;
    }
    // 其他方法和属性...
}

在上述示例中，展示了如何使用Unsafe类的allocateInstance()方法来创建单例模式的实例。请注意，我们绕过了私有构造函数，通过allocateInstance()方法创建了实例。

实现浅克隆（直接获取内存的方式）

对于浅克隆的实现方法，通常是在clone()方法中调用super.clone()来完成。然而，这种方式要求对象必须实现Cloneable接口，并且在需要进行浅克隆的所有对象中都要实现clone()方法。对于一些开发者来说，这可能会带来一定的工作量和复杂性。

直接使用copyMemory

copyMemory函数是一种低级别的内存复制方法，它可以按字节进行复制。

• 确定对象的大小：首先，你需要确定要克隆的对象的大小。这可以通过计算对象的字节数来完成。
• 创建目标对象：使用目标对象的构造函数创建一个新的对象。这个对象将是克隆对象的副本。
• 使用copyMemory进行复制：使用copyMemory函数将原始对象的内存数据复制到新创建的对象中。

public class TestCloneable {
    
    private static Unsafe getUnsafeInstance() throws IllegalAccessException, NoSuchFieldException {
        Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafeField.setAccessible(true);
        return (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
    }
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 使用Unsafe类进行浅克隆
        User originalPerson = new User("name",12);
        Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
        User clonedPersonUnsafe = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);
        // 获取对象的起始地址
        long srcAddress = unsafe.objectFieldOffset(User.class.getDeclaredField("name"));
	    // 获取对象的大小 int类型4个字节。
        long objectSize = srcAddress + 4;        
        // 分配新的内存空间        
        long clonedObjectAddress = unsafe.allocateMemory(objectSize);
        // 执行内存复制操作
        unsafe.copyMemory(originalPerson , srcAddress, clonedPersonUnsafe , clonedObjectAddress, 
        				  objectSize );        
        System.out.println("Cloned User (Unsafe): " + clonedPersonUnsafe);
    }
}

原理分析

unsafe.copyMemory() 方法是 sun.misc.Unsafe 类中用于在内存中复制数据的方法。它的参数如下：

这个方法用于在内存中直接复制数据，可以用于将一个对象的字节数据复制到另一个对象的内存位置，然后将这个对象转换为需要被克隆的对象类型。

注意，在使用Unsafe类进行对象克隆时，需要特别谨慎，并确保了解其带来的潜在风险。而在实际开发中，为了代码的可读性和可维护性，我们通常建议使用传统的clone()方法或者其他官方支持的克隆方式。

密码安全

开发人员通常会将密码存储在字符串中，并在应用程序中使用这些密码。使用完成后，一些聪明的程序员会将字符串引用设为null，以使其不再被引用，从而容易被垃圾收集器回收。

• 问题分析：在将引用设为null到垃圾收集器实际回收之间的时间段内，该字符串可能仍存在于字符串池中。在这段时间内，虽然机会很小，但仍有可能通过复杂的攻击方式读取到内存区域并获取密码。

• 解决方案：为了解决这个问题，建议使用char[]数组来存储密码。使用完毕后，你可以迭代处理当前数组，修改/清空这些字符，从而防止密码被泄露。

使用Unsafe类—示例代码

当处理敏感数据如密码时，使用char[]数组是一种更安全的方式。以下是一个完善的案例，演示了如何使用char[]数组来存储和处理密码：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    String password = "l00k@myHor$e";
    String fake = password.replaceAll(".", "?");
    
    System.out.println("Original password: " + password);
    System.out.println("Fake password: " + fake);
    
    Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
    unsafe.copyMemory(fake, 0L, null, toAddress(password), sizeOf(password));
    
    System.out.println("Password after overwrite: " + password);
    System.out.println("Fake password after overwrite: " + fake);
}

private static long toAddress(Object object) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
    Object[] array = new Object[] { object };
    long offset = unsafe.arrayBaseOffset(Object[].class);
    return unsafe.getLong(array, offset);
}

private static int sizeOf(Object object) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
    return (int) (unsafe.getAddress(toAddress(object) + 8));
}

private static Unsafe getUnsafeInstance() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
    theUnsafeField.setAccessible(true);
    return (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
}

运行时动态创建类

通过使用sun.misc.Unsafe类的defineClass()方法，可以在运行时动态地创建类。这种方式允许我们将一个字节数组（如编译后的.class文件）转换为一个Java类的实例。

下面是一个简单的示例，演示了如何通过sun.misc.Unsafe类动态加载和创建类：

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
public class DynamicClassCreationExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取Unsafe实例
        Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
        // 读取.class文件并保存为字节数组
        byte[] classBytes = readClassBytes("DynamicClassToBeCreated.class");
        // 动态创建类
        Class<?> dynamicClass = unsafe.defineClass(null, classBytes, 0, classBytes.length,
                DynamicClassCreationExample.class.getClassLoader(), null);
        // 使用动态创建的类
        Object instance = dynamicClass.getDeclaredConstructor().newInstance();
        System.out.println(instance.getClass().getName());  // 输出：DynamicClassToBeCreated
    }

    private static byte[] readClassBytes(String className) throws IOException {
        InputStream inputStream = DynamicClassCreationExample.class.getClassLoader().getResourceAsStream(className);
        ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int length;
        while ((length = inputStream.read(buffer)) != -1) {
            outputStream.write(buffer, 0, length);
        }
        return outputStream.toByteArray();
    }

    private static Unsafe getUnsafeInstance() throws IllegalAccessException, NoSuchFieldException {
        Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafeField.setAccessible(true);
        return (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
    }
}

在上述示例中，我们首先获取sun.misc.Unsafe实例，并将编译后的.class文件读取为字节数组。然后，使用defineClass()方法创建一个新的类。通过调用该方法，我们可以指定类加载器、字节数组的偏移量和长度等信息来创建类。

超大数组

在Java中，常量Integer.MAX_VALUE表示数组长度的最大值。如果你想创建一个非常大的数组，可以通过直接分配内存来实现。以下示例演示了如何创建一个分配了连续内存（数组）的示例，其容量为最大容量的两倍：

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
public class LargeArrayExample {
    private static final int MAX_ARRAY_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // 获取Unsafe实例
        Unsafe unsafe = getUnsafeInstance();
        // 计算数组长度
        long arrayLength = (long) MAX_ARRAY_SIZE * 2;
        // 分配内存
        long arrayAddress = unsafe.allocateMemory(arrayLength);
        System.out.println("Array allocated at address: " + arrayAddress);
		for (int i = 0; i < 12 ; i += blockSize) {
            // 获取当前块的地址
            long blockAddress = arrayAddress + (i * Integer.BYTES);
            // 计算当前块的实际大小
            long currentBlockSize = Math.min(12 - i, blockSize);
            // 循环添加元素到当前块
            for (int j = 0; j < currentBlockSize; j++) {
                unsafe.putInt(blockAddress + (j * Integer.BYTES), i + j);
            }
        }        
    }
    private static Unsafe getUnsafeInstance() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafeField.setAccessible(true);
        return (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
    }
}

总结概括

sun.misc.Unsafe提供了可以随意查看及修改JVM中运行时的数据结构，尽管这些功能在JAVA开发本身是不适用的。Unsafe是一个用于研究学习HotSpot虚拟机非常棒的工具，因为它不需要调用C++代码，或者需要创建即时分析的工具。然而，使用Unsafe类进行直接内存分配是一种非常底层和不安全的操作，绕过了Java内存管理系统，需要谨慎处理，并且仅在特定的情况下才应使用。