Java安全2

JNI

Java Native interface，Java本地接口；是一种编程框架，使Java程序可以调用本地程序/库，也可以供本地程序调用。这里的本地程序一般指通过其他语言如C、C++、汇编等写成的，编译好的程序。是JVM规范的一部分，自JDK1.1开始就有了。为什么要使用JNI，主要有四个原因：

Java天然需要JNI技术：Java是平台无关的，但JVM是平台相关的，对于调用平台API的功能，背后只能通过JNI技术在Native层分别调用不同平台的API。
Java的运行效率不及C/C++：相比后者Java的运行效率要低一些，因此对于一些有密集计算需求的情况，会选择使用C/C++实现对硬件的操作，再通过JNI调用。
Native层代码安全性高：反编译so的文件比反编译Class高。
复用代码：存在某些需要的功能已经用C/C++实现时，可以直接复用。

另外，总是看到native方法但不明白是什么，于是查了一下，native方法是通过关键字native声明的方法，表明该方法的实现不是使用Java编写的，而是用其他语言编写的（如C/C++），并通过JNI实现对该方法的调用。下面自己写代码练习一下。

实现一个native方法并使用java调用它

首先就是定义一个native方法先。

定义一个native方法

接下来，函数主体准备使用C++实现，接下来编译并生成C++的头文件。因为考虑到我使用的是java8且8u65，版本不算新，我一开始使用的是javah这个比较旧的方式来生成头文件，javac NativeDemo.java && javah NativeDemo，但是一直提示“错误: 找不到 ‘NativeDemo’ 的类文件。”，后来查了一下说在包里面的要带上完整的包使用全路径类名，即javah sec.learn.NativeDemo，但依然失败了。很奇怪，最后使用了javac这种被认为是更“现代”的方式解决了，javac -h . ./NativeDemo.java。得到头文件sec_learn_NativeDemo.h，内容如下：

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/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class sec_learn_NativeDemo */

#ifndef _Included_sec_learn_NativeDemo
#define _Included_sec_learn_NativeDemo
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     sec_learn_NativeDemo
 * Method:    exec
 * Signature: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
 */
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_sec_learn_NativeDemo_exec
  (JNIEnv *, jclass, jstring);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

JNI的函数命名是有要求的，如上需要是Java_完整类路径_函数名，上面的JNIEnv *指对JNI环境的引用，像jcalss、jstring都是类型。JNI和Java定义的类型是需要转换的，不能直接使用java里的类型。类型对照如下图：

JNI类型对照

图源：https://www.javasec.org/javase/JNI/

使用VS Studio新建一个空项目，把所需的头文件jni.h、jni_md.h、sec_learn_NativeDemo.h都通过添加现有项的方式，添加到项目中，但是要注意，仅仅将头文件包含进来还不够，还需要将头文件所在的路径包含在该工程的包含目录中，具体如下图所示：

添加头文件

项目包含头文件所在的路径

编写代码如下，实现执行系统命令的功能：

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#include <iostream>
#include <sstream>
#include <cstdio>
#include <memory>
#include "sec_learn_NativeDemo.h"

//using namespace std;

JNIEXPORT jstring JNICALL Java_sec_learn_NativeDemo_exec(JNIEnv* env, jclass jc, jstring command) {
    // 检查命令是否为 NULL
    if (command == NULL) {
        return env->NewStringUTF("Error: Command is null");
    }

    // 将 jstring 转换为 C++ 的字符串
    const char* nativeCommand = env->GetStringUTFChars(command, NULL);
    if (nativeCommand == NULL) {
        return env->NewStringUTF("Error: Failed to convert command");
    }

    // 打开管道，执行命令
    std::unique_ptr<FILE, decltype(&_pclose)> pipe(_popen(nativeCommand, "r"), _pclose);
    env->ReleaseStringUTFChars(command, nativeCommand); // 释放资源

    if (!pipe) {
        return env->NewStringUTF("Error: Failed to execute command");
    }

    // 读取命令输出
    std::ostringstream result;
    char buffer[128];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), pipe.get()) != NULL) {
        result << buffer;
    }

    // 将结果转换为 jstring 并返回
    return env->NewStringUTF(result.str().c_str());
}

点击“项目”==>“属性”==>“常规”==>“配置类型”，选择为“动态库（.dll）”，如下图所示：

设置配置类型为动态库

点击最上方菜单栏的“生成”，选择“重新生成解决方案”，就会在解决方案的x64/Debug/目录下生成动态链接库.dll文件，把它拷贝到我们的IDEA项目中（不拷贝也行，记住绝对路径就行）。接着使用System.load导入动态链接库文件，或者使用System.loadLibrary通过名称导入。不过使用后者需要该文件在java.library.path中，后面我打印了一下，发现其实这个路径也将环境变量Path包含在内的。

接着就可以使用这个native的exec函数了，如下图所示：

成功调用native方法

也就是说借助JNI，可以通过编写native方法，不使用Java的API实现任何想要的功能。

文件系统

Java语言中对文件的任何操作最终都是通过JNI调用C语言的函数实现的。一开始我先学到文件系统，苦于看不懂JNI，于是先学习铺垫了JNI的知识；有了JNI的基础，再来看文件系统就好理解多了。

首先是Java中有两类文件系统，java.io和java.nio，后者的实现是sun.nio。

API实现

图源：https://www.javasec.org/javase/FileSystem/FileSystem.html

Java.io 文件系统

java.io中抽象了一个java.io.FileSystem类出来，对于不同的操作系统有不同的实现。例如Windows和Unix下分别是java.io.WinNTFileSystem和java.io.UnixFileSystem。

不同平台下的FileSystem

图源：https://www.javasec.org/javase/FileSystem/FileSystem.html

java.io.FileSystem对文件的操作最终都通过调用动态链接库中C实现的native方法来实现，是一种基于阻塞模式的IO文件系统，属于Java早期的设计，在Java 7引入了NIO.2，是新设计的、更加现代化的，采用了非阻塞模式（提供异步IO的支持）的文件系统。

~~下面这段还看不明白，mark住~~

并不是所有的文件操作都在java.io.FileSystem中定义,文件的读取最终调用的是java.io.FileInputStream#read0、readBytes、java.io.RandomAccessFile#read0、readBytes,而写文件调用的是java.io.FileOutputStream#writeBytes、java.io.RandomAccessFile#write0。