Java 类加载器学习

Java
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2023-07-03
在 Vue 中使用注解（装饰器）
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java设计模式概述、类图、设计原则
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前言

类加载器属于 JVM 的一个重要知识点，也是 Java 安全里命令执行、webshell管理器编写的常用技术。

类加载器简介

我们知道java源文件在运行前会被编译为class类文件，存放着编译后JVM虚拟机指令的 二进制 字节流。当使用某类时，JVM就会加载它并在内存中创建对应的class对象。该过程称为类的加载。

类加载过程

过程如下：

  • 加载阶段
  • 通过一个类的完全限定名称来查找该类的 字节码 文件，并利用字节码文件来创建一个Class对象。
  • 链接阶段
  • 负责把类的二进制数据合并到 JRE 中。
  • 又可以分为以下三个阶段：
  • 1、验证阶段
  • 用来确保Class文件中包含的字节流信息符合当前 Java虚拟机 的要求。
  • 2、准备阶段
  • 为 static 修饰的静态类变量分配内存，并将其设置为默认值；
  • 不会分配并初始化用 final 修饰符修饰的 static 变量，因为该类变量在编译时就会被分配到内存空间；
  • 不会分配并初始化实例变量，因为实例变量会随对象一起分配到 Java 堆中，而不是 Java 方法区；
  • 3、解析阶段
  • 将类的二进制数据中的符号引用转换为直接引用。
  • 初始化阶段
  • 类加载的最后阶段，若该类具有父类，则先对父类进行初始化，执行静态变量赋值和静态代码块代码，成员变量也将被初始化。

类加载器

类加载器可以分为两种：

一种是Java虚拟机自带的类加载器，分别为启动类加载器、扩展类加载器、系统类加载器。

  • 启动类加载器（ Bootstrap ClassLoader）
  1. 底层由C/C++ 实现，不继承 java.lang .ClassLoader类，不存在父类加载器；
 public static  void  main(String[] args) {
    ClassLoader c = Object.class.getClassLoader();
    System.out.println(c); // 加载器打印出来的结果是null
}
  1. 负责加载%JAVA_HOME%/jre/lib目录下的核心类库，比如 rt.jar、charsets.jar 等；
  2. 负责加载 %JAVA_HOME%/jre/classes 中的类；
  • 扩展类加载器（Extensions ClassLoader）
  1. 加载 Java 的扩展列库，默认加载 %JAVA_HOME%/jre/lib/ext扩展目录中的类库或由 java.ext.dirs 系统变量 指定的目录下的类库；
  2. 系统类加载器的父类是扩展类加载器，扩展类加载器的父类是启动类加载器；
  • 系统类加载器（App ClassLoader）
  1. 负责加载 ClassPath 环境变量下或者系统属性java.class.path的所有类库，主要是加载开发人员编写的 类库 ；
  2. Java 程序默认的类加载器；
  3. 是 用户自定义的任何类加载器 的默认父类加载器；

一种是用户自定义的类加载器，是java.lang.ClassLoader子类实例。

加载用户自定义路径下的类包，通过继承java.lang.ClassLoader类的方式来实现。即父类为系统类加载器。

双亲委派机制

通过上面学习，我们知道了JVM默认有三种类加载器。除了根类加载器之外，其他的类加载器都需要有自己的父加载器。

那在加载class字节码文件时到底哪个类加载器会去加载呢？这实际上就是”双亲委派机制”。

当一个类加载器需要加载类时，先去判断该类是否已经被加载，如果已加载则直接返回，如果没有被加载，就向上委托父类加载器。父类加载器也会重复同样的操作，直到”启动类加载器”。确定类未被加载，启动类加载器首先会去对应的目录下%JAVA_HOME%jre/lib/搜索该类。如果找到就加载，如果没有找到就去子类加载器重复同样的操作，去对应的目录下查找该类。最后到用户自定义的类加载器，如果还没有找到就抛出ClassNotFoundException异常退出。

自定义类加载器

下面来看一看java.lang.ClassLoader.class中的几个核心方法。

loadClass(String name, boolean resolve)

也是双亲委托模式的代码实现。

该方法会先调用findLoadedClass(String)来检查类是否已经加载过；

接着递归调用父类加载器，如果父类加载器不为null，则调用父类加载器的的loadClass()方法来寻找该类并加载，如果父类加载器为null，则说明到了引导类加载器；

如果父类加载器均找不到这个类，则调用自定义的findClass()方法寻找并加载该类；

最后根据resolve值选择是否对 Class 进行动态链接操作。

define Class(String name, byte [] b, int off, int len)

该方法主要将类的字节流转换为java.lang.Class实例对象。

 String name  表示二进制形式的类名
byte[] b  表示类的字节流，字节流可以来自Class文件，也可以来自网络或其他途径
int off   表示类的字节流的起始偏移量
int len   表示类的字节流的大小

findClass(String name)

该方法用来查找一个类，在自定义类加载器时，一般我们需要重写这个方法。以此来获取要加载类的字节码，然后调用defineClass()方法生成Class对象。

所以想自定义实现类加载器，必须满足：

1、继承java.lang.ClassLoader.class类

2、重写findClass()方法

过程

下面尝试编写一个Test类

 public class Test  {
    public String Demo(){
       return "hello cseroad";
    }
}

将该类进行编译生成class字节码文件。

再编写一个方法获取该class字节码二进制文件的byte数组。

 import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io. File ;
import java.io.FileInputStream;
import java.util.Arrays;

/**
 * @author cseroad
 */
public class Demo {
    public static byte[] getBytesByFile(String pathStr) {
        File file = new File(pathStr);
        try {
             FileInputStream  in = new FileInputStream(file);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] buf = new byte[];
            int len = -;
            while ((len = in.read(buf)) != -) {
                baos.write(buf,, len);
            }
            byte[] data = baos.toByteArray(); // 读取到的字节码的二进制数据
            in.close();
            baos.close();
            return data;
        } catch ( Exception  e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        byte[] bytesByFile = demo.getBytesByFile("/Users/cseroad/IdeaProjects/Project_Java/out/production/Java_study/com/atguigu/test/Test.class");
        System.out.println(Arrays.toString(bytesByFile));
    }

}

要实现自定义的类加载器，先创建一个类继承ClassLoader加载器并重写findClass()方法。

 public class TestClassLoad  extends  ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return super.findClass(name);
    }
}

在该方法里实现调用defineClass()方法来生成Class对象。

 protected Class<?> findClass(String name) {
    byte[] bytes = new byte[]{-, -2, -70, -66, 0, 0, 0, 55, 0, 20, 10, 0, 4, 0, 16, 8, 0, 17, 7, 0, 18, 7, 0, 19, 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, 18, 76, 111, 99, 97, 108, 86, 97, 114, 105, 97, 98, 108, 101, 84, 97, 98, 108, 101, 1, 0, 4, 116, 104, 105, 115, 1, 0, 23, 76, 99, 111, 109, 47, 97, 116, 103, 117, 105, 103, 117, 47, 116, 101, 115, 116, 47, 84, 101, 115, 116, 59, 1, 0, 5, 68, 101, 109, 111, 49, 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, 84, 101, 115, 116, 46, 106, 97, 118, 97, 12, 0, 5, 0, 6, 1, 0, 13, 104, 101, 108, 108, 111, 32, 99, 115, 101, 114, 111, 97, 100, 1, 0, 21, 99, 111, 109, 47, 97, 116, 103, 117, 105, 103, 117, 47, 116, 101, 115, 116, 47, 84, 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, 47, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 42, -73, 0, 1, -79, 0, 0, 0, 2, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 7, 0, 9, 0, 0, 0, 12, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 0, 10, 0, 11, 0, 0, 0, 1, 0, 12, 0, 13, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 45, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 18, 2, -80, 0, 0, 0, 2, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 9, 0, 9, 0, 0, 0, 12, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 10, 0, 11, 0, 0, 0, 1, 0, 14, 0, 0, 0, 2, 0, 15};
    return super.defineClass("com.atguigu.test.Test",bytes,, bytes.length);
}

主函数调用loadClass()方法就可以自动加载该类。

 public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
    TestClassLoad testClassLoad = new TestClassLoad();
    //Class<?> aClass = testClassLoad.findClass("com.atguigu.test.Test");
    Class<?> aClass = testClassLoad.loadClass("com.atguigu.test.Test");
    System.out.println(aClass);
}

再利用反射创建对象调用方法。

 public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException {
    TestClassLoad testClassLoad = new TestClassLoad();
    //Class<?> aClass = testClassLoad.findClass("com.atguigu.test.Test");
    Class<?> aClass = testClassLoad.loadClass("com.atguigu.test.Test");
    System.out.println(aClass);
    Object o = aClass.newInstance();
    Method demo = aClass.getMethod("Demo1");
    Object invoke = demo.invoke(o);
    System.out.println(invoke);
}

综上代码为：

 
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.Base;

public class TestClassLoad extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {
        byte[] bytes = new byte[]{-, -2, -70, -66, 0, 0, 0, 55, 0, 20, 10, 0, 4, 0, 16, 8, 0, 17, 7, 0, 18, 7, 0, 19, 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, 18, 76, 111, 99, 97, 108, 86, 97, 114, 105, 97, 98, 108, 101, 84, 97, 98, 108, 101, 1, 0, 4, 116, 104, 105, 115, 1, 0, 23, 76, 99, 111, 109, 47, 97, 116, 103, 117, 105, 103, 117, 47, 116, 101, 115, 116, 47, 84, 101, 115, 116, 59, 1, 0, 5, 68, 101, 109, 111, 49, 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, 84, 101, 115, 116, 46, 106, 97, 118, 97, 12, 0, 5, 0, 6, 1, 0, 13, 104, 101, 108, 108, 111, 32, 99, 115, 101, 114, 111, 97, 100, 1, 0, 21, 99, 111, 109, 47, 97, 116, 103, 117, 105, 103, 117, 47, 116, 101, 115, 116, 47, 84, 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, 47, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 42, -73, 0, 1, -79, 0, 0, 0, 2, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 7, 0, 9, 0, 0, 0, 12, 0, 1, 0, 0, 0, 5, 0, 10, 0, 11, 0, 0, 0, 1, 0, 12, 0, 13, 0, 1, 0, 7, 0, 0, 0, 45, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 18, 2, -80, 0, 0, 0, 2, 0, 8, 0, 0, 0, 6, 0, 1, 0, 0, 0, 9, 0, 9, 0, 0, 0, 12, 0, 1, 0, 0, 0, 3, 0, 10, 0, 11, 0, 0, 0, 1, 0, 14, 0, 0, 0, 2, 0, 15};
        //String classStr = "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";
        //byte[] bytes = Base.get decode r().decode(classStr);
        return super.defineClass(bytes,, bytes.length);
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException {
        TestClassLoad testClassLoad = new TestClassLoad();
        //Class<?> aClass = testClassLoad.findClass("com.atguigu.test.Test");
        Class<?> aClass = testClassLoad.loadClass("com.atguigu.test.Test");
        System.out.println(aClass);
        Object o = aClass.newInstance();
        Method demo = aClass.getMethod("Demo1");
        Object invoke = demo.invoke(o);
        System.out.println(invoke);
    }
}

传入字节数组时可以直接读取字节码文件转化为byte数组，也可以base64编码再解码读取。

URLClassLoader

URLClassLoader继承了ClassLoader，可以通过java.net.URLClassLoader.class该类加载器从本地或者网络上指定的位置加载类。

 public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException, MalformedURLException, ClassNotFoundException {
    //从文件系统目录下加载
    File f = new File("/Users/cseroad/Downloads/");
    URL url = f.toURL();
    //从网络上加载
    //URL url = new URL("#;");
     URLClassLoader test = new URLClassLoader(new URL[]{url});
    Class<?> aClass = test.loadClass("com.atguigu.test.Demo");
    System.out.println(aClass);
    Object o = aClass.newInstance();
    Method demo = aClass.getMethod("Demo2");
    Object invoke = demo.invoke(o);
    System.out.println(invoke);
}

扩展

在上文我们已经学习了如何自定义类加载器的方式调用其方法，加载class字节码文件并生成对应的Class对象。基于此，完全可以编写一个恶意类，也通过自定义类加载器的方式生成恶意的Class对象。

 public void Eval() throws IOException {
    Runtime.getRuntime().exec("/System/Applications/Calculator.app/Contents/MacOS/Calculator");
}

创建Eval()方法执行系统命令。

自定义类加载器加载该字节码文件。

 public void Test() throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException, MalformedURLException, ClassNotFoundException {
    TestClassLoad testClassLoad = new TestClassLoad();
    String classStr = "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";
    byte[] bytes = Base.getDecoder().decode(classStr);
    Class<?> aClass = testClassLoad.defineClass("com.atguigu.test.Test", bytes,, bytes.length);
    System.out.println(aClass);
     Object o = aClass.newInstance();
    Method demo = aClass.getMethod("Eval");
    Object invoke = demo.invoke(o);
    System.out.println(invoke);
}

总结

在尚未熟知JVM的情况下，学习了JVM内置的三种类加载器，以及如何自定义编写类加载器实现方法的调用，如何利用URLClassLoader远程加载类并调用方法执行代码。

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