探秘 Java 安全利器 ——JVMTI-EW帮帮网

在当今数字化时代，Java 作为一种广泛应用的编程语言，其安全性和性能监控至关重要。今天，我们就来深入了解一下 Java 安全领域的一把利器 ——JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）。

JVMTI 究竟是什么？

JVMTI 是 JVM 提供的一个强大编程接口，专为开发和监控工具量身打造。简单来说，它就像是一个神奇的 “魔法钥匙”，开发者可以通过它在不修改应用程序代码的情况下，对运行在 JVM 上的程序进行监控、调试和分析。这个接口的功能十分强大，涵盖了类、线程、堆内存、监视器、栈帧等多个方面的查询和操作。

JVMTI 能做什么？

丰富的事件通知

JVM 提供了一组事件，这些事件就像是一个个 “小信使”，能够通知本机动态库文件当前 JVM 处于什么状态。开发者可以通过 JVMTI 提供的 SetEventCallbacks 函数设置对应事件的回调函数，再使用 SetEventNotificationMode 函数启动或禁用某个事件的通知。下面是一些常见的事件及其触发时机：

多样的应用场景

调试工具：设置断点、单步执行代码，就像一位精准的 “代码侦探”，帮助开发者快速定位问题。
性能监控工具：查看内存使用、CPU 消耗，找出程序慢的原因，为程序的性能优化提供有力支持。
线程分析工具：检查线程状态，发现死锁等问题，保障程序的稳定运行。
代码覆盖工具：在测试时查看哪些代码行被执行了，让测试更加全面和准确。
字节码增强工具：运行时修改 class 文件中 JVM 字节码指令，实现代码的动态增强。

JVMTI 的加载方式

启动加载

在 Java 进程启动的时候，我们可以通过 -agentpath:<pathname>=<options> 的方式启动。这里的 pathname 是对应的 JVMTI 接口实现的本机动态库文件（.dll/.so）的绝对路径，后面还可以追加 JVMTI 程序需要的参数。这种方式就像是在程序启动时就给它配备了一个 “小助手”。

附加加载

使用代码将 JVMTI 实现的本机动态库文件（.dll/.so）附加到 JVM 进程中。这就好比在程序运行过程中，随时可以为它添加一个 “临时帮手”。

JVMTI 初体验：遍历已加载的类签名

我们可以通过附加 JVM 的方式，遍历当前 JVM 已加载的类签名。下面是具体的代码实现：

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

project(jvmtidemo)
set(PRODUCT_NAME ${PROJECT_NAME})
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(JAVA_HOME $ENV{JAVA_HOME})

include_directories(${JAVA_HOME}/include)
include_directories(${JAVA_HOME}/include/win32)
link_directories(${JAVA_HOME}/lib)

message(STATUS JAVA_HOME:${JAVA_HOME})
aux_source_directory(src SRC_LIST)
add_library(${PRODUCT_NAME} SHARED ${SRC_LIST})

jvmtidemo.cpp

#include <jvmti.h>
#include <iostream>
#include <filesystem>

namespace fs = std::filesystem;

JNIEXPORT jint printLoadedClasses(JavaVM* vm)
{
  jvmtiEnv* jvmti;

  jint result = vm->GetEnv((void**)&jvmti, JVMTI_VERSION_1_2);
  if (result != JNI_OK)
  {
    std::cout << "Unable to access jvm env" << std::endl;
    return result;
  }

  jclass* classes;
  jint count;
  result = jvmti->GetLoadedClasses(&count, &classes);
  if (result != JNI_OK)
  {
    std::cout << "JVMTI GetLoadedClasses failed" << std::endl;
    return result;
  }

  for (int i = 0; i < count; i++)
  {
    char* sig;
    char* genericSig;
    jvmti->GetClassSignature(classes[i], &sig, &genericSig);
    std::cout << "class signature = " << sig << std::endl;
  }

  return 0;
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnLoad(JavaVM* vm, char* options, void* reserved)
{

  std::cout << "Agent Onload" << std::endl;

  return JNI_OK;
}


JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char* options, void* reserved)
{
  std::cout << "Agent OnAttach" << std::endl;
  printLoadedClasses(vm);
  return JNI_OK;
}

JNIEXPORT void JNICALL
Agent_OnUnload(JavaVM* vm)
{
  std::cout << "Agent OnUnload" << std::endl;
}

AgentAttacher.java

import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class AgentAttacher {
    public static void main(String[] args) {
        if(args.length != 2) {
            System.out.println("Invalid Argument");
            return;
        }
        String pid = args[0];
        String agentPath = args[1];
        attach(pid, agentPath, "");
    }

    public static void attach(String pid, String agentPath, String agentArgs) {
        try {
            VirtualMachine virtualMachine = VirtualMachine.attach(pid);
            virtualMachine.loadAgentPath(agentPath, agentArgs);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

实验步骤

通过 CMakeLists.txt 和 jvmtidemo.cpp 编译出 jvmtidemo.dll 代理库。
使用 javac 编译 AgentAttacher.java。
通过 java AgentAttacher <pid> jvmtidemo.dll 命令附加加载代理库到指定 JVM 进程中，即可打印出已加载的类签名。

基于字节码增强的 Class 文件保护方案

核心思路

我们可以将 Class 文件中方法的字节码进行加密，实现对 Class 文件的保护。然后通过编译 JVMTI Agent 动态库，注册 JVMTI_EVENT_CLASS_FILE_LOAD_HOOK 事件回调。在 ClassFileLoadHook 函数中对已加密的方法的字节进行解密，实现运行时内存解密。

安全风险与注意事项

需要注意的是，Agent 解密动态库注册的 JVMTI_EVENT_CLASS_FILE_LOAD_HOOK 的事件回调必须要是最后一个调用，否则后面的事件回调传递的参数就是解密后的 class 文件，会造成安全隐患。JVM 规范并没有明确指定多个代理之间的调用顺序，这通常取决于 JVM 实现和代理加载的顺序，不过一般都是按注册顺序来调用的。这里比较推荐 Virbox Protector，它对于该方案的细节处理得比较好，具体可以参考深盾科技官网：Java BCE方式保护最佳实践 | Virbox Protector。

实验代码

#include <jvmti.h>
#include <iostream>
#include <filesystem>

namespace fs = std::filesystem;

void save_class_file(const char* class_name, const jbyte* data, jint length)
{
  char file_name[256];
  snprintf(file_name, sizeof(file_name), "%s.class", class_name);

  std::string filename = file_name;
  std::replace(filename.begin(), filename.end(), '/', '_');

  std::string path = fs::path("./dump").append(filename).string();
  FILE* fp = fopen(path.c_str(), "wb");
  if (fp) {
    fwrite(data, 1, length, fp);
    fclose(fp);
  }
  else
  {
    std::printf("failed to save class: %s\n", class_name);
  }
}

void JNICALL ClassFileLoadHook(
  jvmtiEnv* jvmti,
  JNIEnv* jni,
  jclass class_being_redefined,
  jobject loader,
  const char* name,
  jobject protection_domain,
  jint class_data_len,
  const unsigned char* class_data,
  jint* new_class_data_len,
  unsigned char** new_class_data
) {

  if (name && strstr(name, "Main"))
  {
    save_class_file(name, (jbyte*)class_data, class_data_len);
  }
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnLoad(JavaVM* vm, char* options, void* reserved)
{
  std::cout << "Agent Onload" << std::endl;

  jvmtiEnv* jvmti;
  jvmtiCapabilities capabilities;
  jvmtiEventCallbacks callbacks;

  // 获取 JVMTI 环境
  if (vm->GetEnv((void**)&jvmti, JVMTI_VERSION) != JNI_OK) {
    return JNI_ERR;
  }

  // 启用类加载事件
  memset(&capabilities, 0, sizeof(capabilities));
  capabilities.can_generate_all_class_hook_events = 1;
  capabilities.can_retransform_any_class = 1;
  capabilities.can_retransform_classes = 1;
  jvmti->AddCapabilities(&capabilities);

  // 设置回调函数
  memset(&callbacks, 0, sizeof(callbacks));
  callbacks.ClassFileLoadHook = &ClassFileLoadHook;
  jvmti->SetEventCallbacks(&callbacks, sizeof(callbacks));

  // 启用事件通知
  jvmti->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_CLASS_FILE_LOAD_HOOK, NULL);
  return JNI_OK;
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char* options, void* reserved)
{
  std::cout << "Agent OnAttach" << std::endl;
  return JNI_OK;
}

JNIEXPORT void JNICALL
Agent_OnUnload(JavaVM* vm)
{
  std::cout << "Agent OnUnload" << std::endl;
}

通过以上的介绍和实验，我们可以看到 JVMTI 在 Java 安全和性能监控方面有着巨大的潜力。如果你也对 Java 安全和性能优化感兴趣，不妨动手试试 JVMTI，相信它会给你带来意想不到的收获！

探秘 Java 安全利器 ——JVMTI