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。
类加载方式
Java类加载方式分为显式和隐式
显式:利用反射或ClassLoader
来动态加载一个类
隐式:通过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。
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,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。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。
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。
1、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。
2、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。
-
3、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
双亲委派机制
基本概念
前面提到了Java自带3个
ClassLoader
,包括实现自定义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
这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?
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
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
1、编写一个类继承ClassLoader
步骤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
;1、编写测试类
```java package classloader;
public class test { public String hello(){ return “hello, CoLoo!”; } }
<a name="a92jE"></a>
#### 2、编译为`.class`文件
![](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/webp/396745/1641344381446-632846ff-b247-4049-8ce9-f2bbb20213de.webp#clientId=u56b76aa9-4ef3-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&id=u0f4aac8c&margin=%5Bobject%20Object%5D&originHeight=328&originWidth=1080&originalType=url&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&status=done&style=none&taskId=u8302eda2-a67d-4b97-890d-e3e36e74d18&title=)
<a name="EvxD2"></a>
#### 3、`.class`转换bytes
```java
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]
4、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);
}
}
总结
自定义ClassLoader
流程小结
- 准备自定义类,编译为.class文件
- 将.class文件内容专为bytes数组
- 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 - 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)。
1、这里目前想到的是代替ClassLoader
对于安全来说能做什么?Class.forName()
,通过ClassLoader.loadClass()
获取class对象 ```java @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,待研究。
3、… 应该还有很多。