知识大全提高代码质量及字节码如何防止内存错误[1]

Posted 2022-07-14 字节

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　　大多Java程序员知道他们的程序通常不会被编译为本机代码而是被编译为由java虚拟机（JVM）执行的字节码格式然而很少有java程序员曾经看过字节码因为他们的工具不鼓励他们去看大多Java 调试工具不允许单步执行字节码它们要么显示源代码行要么什么也不显示

　　幸运的是JDK提供了javap 一个命令行工具它使得查看字节码很容易让我们看一个范例

　　public class ByteCodeDemo 　　public static void main(String[] args) 　　System out println( Hello world );　　　　

　　在编译这个类后你可以用十六进制编辑器打开 class文件然后参照虚拟机规范翻译字节码幸运的是有更简单的方法 JDK包含一个命令行的反汇编器 javap 它可以转换字节码为一种可读的助记符形式可以像下面这样通过传递 c 参数给javap得到字节码列表

　　javap c ByteCodeDemo

　　你应该会看到输出类似这样

　　public class ByteCodeDemo extends java lang Object 　　public ByteCodeDemo();　　public static void main(java lang String[]);　　　　Method ByteCodeDemo()　　 aload_ 　　 invokespecial # 　　 return　　Method void main(java lang String[])　　 getstatic # 　　 ldc # 　　 invokevirtual # 　　 return

　　仅仅从这个短小的列表你可以学到很多字节码的知识从main方法的第一个指令开始

　　 getstatic #

　　开始的整数是方法中的指令的偏移值因此第一个指令以开始紧随偏移量是指令的助记符（mnemonic）在这个范例中 getstatic 指令将一个静态成员压入一个称为操作数堆栈的数据结构后续的指令可以引用这个数据结构中的成员 getstatic 指令后是要压入的成员在这个例子中要压入的成员是 # 如果你直接检查字节码你会看到成员信息没有直接嵌入指令而是像所有由java类使用的常量那样存储在一个共享池中将成员信息存储在一个常量池中可以减小字节码指令的大小因为指令只需要存储常量池中的一个索引而不是整个常量在这个例子中成员信息位于常量池中的# 处常量池中的项目的顺序是和编译器相关的因此在你的环境中看到的可能不是 #

　　分析完第一个指令后很容易猜到其它指令的意思 ldc (load constant) 指令将常量 Hello World 压入操作数栈 invokevirtual 指令调用println方法它从操作数栈弹出它的两个参数不要忘记一个像println这样的实例方法有两个参数上面的字符串加上隐含的 this 引用

　　字节码如何预防内存错误

　　Java语言经常被吹捧为开发互联网软件的安全的语言表面上和c++如此相似的代码如何体现安全呢？它引入的一个重要的安全概念是防止内存相关的错误计算机罪犯利用内存错误在其它情况下安全的程序中插入自己的恶意的代码 Java字节码是第一个可以预防这种攻击的像下面的范例展示的

　　public float add(float f int n) 　　return f + n;　　

　　如果你将这个方法加入上面的范例中重新编译它然后运行javap 你将看到的字节码类似这个

　　Method float add(float int)　　 fload_ 　　 iload_ 　　 i f　　 fadd　　 freturn

　　在方法的开始虚拟机将方法的参数放入一个称为局部变量表的数据结构中将像名字暗示的那样局部变量表也包含了你声明的任何局部变量在这个例子中方法以三个局部变量表的项开始这些都是add方法的参数位置保存this引用而位置和分别保存float和int参数

　　为了实际的操作这些变量它们必须被加载(压入)到操作数栈第一个指令fload_ 将位置处的float压入操作数栈第二个指令iload_ 将位置处的int压入操作数栈这些指令的一个引起注意的事情是指令中的 i 和 f 前缀这说明Java字节码指令是强类型的如果参数的类型和字节码的类型不匹配 VM将该字节码作为不安全的而加以拒绝更好的是字节码被设计为只需在类被加载时执行一次这样的类型安全检查

　　这个类型安全是如何加强安全的？如果一个攻击者能够欺骗虚拟机将一个int作为一个float或者相反它就可以很容易的以一个预期的的方法破坏计算如果这些计算涉及银行结余那么隐含的安全性是很明显的更危险的是欺骗VM将一个int作为一个Object引用在大多情况下这将导致VM崩溃但是攻击者只需要找到一个漏洞不要忘记攻击者不会手工搜索这个漏洞－－写出一个程序产生数以亿计的错误字节码的排列是相当容易的这些排列试图找到危害VM的幸运的那个

　　字节码的另一个内存安全防护是数组操作 aastore 和 aaload 字节码操作Java数组并且它们总是检查数组边界如果调用程序越过了数组尾这些字节码将抛出一个ArrayIndexOutOfBoundsException 也许所有最重要的检查都使用分支指令例如以if开始的字节码在字节码中分支指令只能转移到同一方法中的其它指令在方法外可以传递的唯一控制是使它返回抛出一个异常或者执行一个 invoke 指令这不仅关闭了很多攻击同时也防止由于摇荡引用（dangling reference）或者堆栈冲突而引发的令人厌恶的错误如果你曾经使用系统调试器打开你的程序并定位到代码中的一个随机的位置那么你会很熟悉这些错误

　　所有这些检查中需要记住的重要的一点是它们是由虚拟机在字节码级进行的而不是仅仅由编译器在源代码级进行的一个例如c++这样的语言的编译器可能在编译时预防上面讨论的某些内存错误但是这些保护只是在源代码级应用操作系统将很乐意加载执行任何机器码无论这些代码是由精细的c++编译器产生的还是心怀恶意的攻击者产生的简单的讲 C++仅仅是在源代码级上面向对象而Java的面向对象的特性扩展到编译过的代码级

cha138/Article/program/Java/hx/201311/27209

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