Java中 Package Sealing 的探秘之旅

转载自：https://blog.csdn.net/technerd/article/details/8945587

简介

        如果没有JAR (Java Archive)的存在，Java也许不至于像今天这样大行天下。JAR 是一个将其他文件或JAR捆绑在一起，并以.jar做为扩展名的文件。它使用与Zip相同的格式进行压缩，所以适用于任何支持Zip压缩的系统环境。由于是压缩格式，这使得它在网络上的传输十分迅速。JAR的manifest文件使得我们可以对JAR包进行数字签名，版本控制，包密封(Seal)，和设置程序的执行入口等，另外，从Java 5 开始在META-INF文件夹下生成索引文件INDEX.LIST，可以大大缩短了JAR文件中类的加载时间。

       这篇文章主要探讨一下JAR中的Package Sealing功能。这个功能是在Java 1.2引入的。在生成Jar文件时我们可以指定是否将整个Jar或者其中某几个Package进行密封，如果是将Jar文件整个进行密封，那就意味着其内所有的Package都被密封了。Package一旦密封，那么Java 虚拟机一旦成功装载密封Package中的某个类后，其后所有装载的带有相同Package名的类必须来自同一个Jar文件，否则将触发Sealing Violation安全异常。闲话不多说，让我们在如下几个方面开始Package Sealing的探秘之旅吧。

Manifest的Package Sealing 配置

Java源代码解析 Sealing Violation 

Package Sealing 的益处

Sealing Violation实例

Manifest的Package Sealing 配置

我们先看看 JAR文件是如何通过manifest文件来对Jar文件中的Package进行密封。主要有两种密封方式

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Manifest-Version: 1.0  

Name: com/tr/algorithm/test/box/  

Sealed: true  

Name: com/tr/algorithm/search/  

Sealed: true  

Name: com/tr/multiThreads/  

Sealed: true  

Name: com/tr/algorithm/BinaryTree/  

Sealed: true  

上面的manifest文件中针对某几个package进行了密封操作，但下面的manifest文件内容是对Jar文件中所有的package进行密封。

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Manifest-Version: 1.0  

Sealed: true  

Java源代码解析 Sealing Violation

知道了如何对Package进行密封后，我们一起来看看Java源代码中是如何触发Sealing Violation。我使用的JDK版本为1.6

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java version "1.6.0_24"  

Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_24-b50)  

Java HotSpot(TM) Client VM (build 19.1-b02, mixed mode)  

下面是URLClassLoader中对Package Sealing进行安全校验的代码. 我添加了一些注释,方便理解.

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   String pkgname = name.substring(0, i);  

   Package pkg = getPackage(pkgname);  

   Manifest man = res.getManifest();  

if (pkg != null) {   

/*

                 * 如果当前试图加载的类，例如com.seal.util.DateUtil.java，所对应的Package

          *  例如com.seal.util，已经被ClassLoader装载。

                 */       

if (pkg.isSealed()) {  

/*

    *如果当前装载的类，例如com.seal.util.DateUtil.java，所对应的Package com.seal.util 已经被装载且密封，

    *但当前装载的类的URI和已经装载的Package不同，通俗一点就是来自不同的Jar文件的话

    *将触发安全异常。

    */  

if (!pkg.isSealed(url)) {  

throw new SecurityException(  

"sealing violation: package " + pkgname + " is sealed");  

    }  

}else { //如果这个Package已经被装载，但没有被密封。  

/*

    *查看当前正在装载的类，例如com.seal.util.DateUtil.java ，所对应的Package com.seal.util 是否需要密封。

    *如果是的话，将触发安全异常。因为，JVM不允许对已经装载的Package再进行密封。

    */  

if ((man != null) && isSealed(pkgname, man)) {   

throw new SecurityException(  

"sealing violation: can't seal package " + pkgname +   

": already loaded");  

    }  

}  

}else {  

/*

*如果当前试图加载的类对应的Package没有被ClassLoader装载，则试图加载该Package。

*如果Manifest文件非空，则会使用Manifest来定义这个Package，当然，这包含是否对Package进行密封。

*/  

if (man != null) {  

    definePackage(pkgname, man, url);  

}else {  

definePackage(pkgname,null, null, null, null, null, null, null);  

              }  

   }  

总的来说，有两种情况触发关于Sealing的安全异常

检查当前试图加载的类对应的Package是否已经被JVM装载且密封。如果已经被装载且密封了，但被密封的Package与当前加载的类对应的Package不是来自同一个Jar文件，将触发安全异常

检查当前试图加载的类对应的 Package是否已经被JVM装载且密封。如果已经被装载但没有被密封，但当前试图加载的类对应的Package确要试图进行密封操作，将触发安全异常。JVM不允许对已经装载但未密封的Package再进行密封操作。

Package Sealing 的益处

Package Sealing所能带来的好处主要是版本一致性. 我们知道Java 在运行时是严格按照classpath中定义的顺序进行装载和检查，尤其是现在Java开源包满天飞, 很有可能你的Java应用程序或者中间件的classpath中会在不同的Jar文件中包含同一个Package的不同版本。这会使得程序运行产生不一致性结果，很难发现。

Sealing Violation实例

我们来看看下面两个针对Sealing Violation的例子，就很容易明白。  

版本升级例子

第一例子的大背景是对发布的Jar包进行版本升级给用户使用。在版本一中我们有DateUtil和StringUtil 两个类

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package com.seal.util;  

public class DateUtil {  

public void DoDateStuff(){  

System.out.println("doing date stuffs in version 1.0");  

    }  

}  

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class StringUtil {  

public void DoStringStuff(){  

System.out.println("doing string stuffs in version 1.0");  

    }  

}  

这两个类我们发布为sealed_v1.jar。 该Jar文件已经被密封，其Manifest文件内容如下

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Manifest-Version: 1.0  

Sealed: true  

在版本二中，我们增加了一个类NumberUtil，同时更改了DateUtil和StringUtil的逻辑。版本二所发布的Jar文件为sealed_v2.jar。Manifest文件的内容和版本一相同。Java类代码如下

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class DateUtil {  

public void DoDateStuff(){  

System.out.println("doing date stuffs in version 2.0");  

    }  

}  

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class StringUtil {  

public void DoStringStuff(){  

System.out.println("doing string stuffs in version 2.0");  

    }  

}  

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class NumberUtil {  

public void DoNumberStuff(){  

System.out.println("doing number stuffs in version 2.0");  

    }  

}  

这时候，对于客户而言，可用的Jar版本有版本一sealed_v1.jar和版本二sealed_v2.jar。用户有个测试类如下

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import com.seal.util.DateUtil;  

import com.seal.util.NumberUtil;  

import com.seal.util.StringUtil;  

public class SealTestCase1 {  

public static void main(String[] args){  

DateUtil du =new DateUtil();  

     du.DoDateStuff();  

StringUtil su =new StringUtil();  

     su.DoStringStuff();  

NumberUtil nu =new NumberUtil();  

     nu.DoNumberStuff();  

  }  

}  

我们执行Java命令编译并执行上面的测试类，假设上述两个Jar文件sealed_v1.jar和sealed_v2.jar，以及SealTestCase1类都存放在目录D:\sealingTest\case_1中。

执行如下命令编译SealTestCase1类。

javac -classpath .;D:\sealingTest\case_1\sealed_v1.jar;D:\sealingTest\case_1\sealed_v2.jar SealTestCase1.java

执行如下命令运行SealTestCase1类。

java -classpath .;D:\sealingTest\case_1\sealed_v1.jar;D:\sealingTest\case_1\sealed_v2.jar SealTestCase1

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doing date stuffs in version 1.0  

doing string stuffs in version 1.0  

Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: sealing violation: package com.seal.util is sealed  

        at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:234)  

        at java.net.URLClassLoader.access$000(URLClassLoader.java:58)  

        at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:197)  

        at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)  

        at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:190)  

        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:305)  

        at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:301)  

        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:246)  

        at SealTestCase1.main(SealTestCase1.java:14)  

这个Sealing Violation 正是JDK中定义的第一种情况。请看如下的代码注释来进一步理解这个Sealing Violation的产生的根本原因。

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public class SealTestCase1 {  

public static void main(String[] args){  

/*

      * JVM 装载 com.seal.util.DateUtil类，由于Classpath 中sealed_v1.jar在最前面，

      * 所以，com.seal.util.DateUtil类来自于sealed_v1.jar。我们知道sealed_v1.jar是被整个密封的。

      * JVM 会将Package com.seal.util 进行装载并密封。 

      */  

DateUtil du =new DateUtil();  

     du.DoDateStuff();  

/*

          * 同样，sealed_v1.jar在classpath中比sealed_v2.jar靠前，

          * 类 com.seal.util.StringUtil 也会在sealed_v1.jar中进行装载。

          * 由于Package com.seal.util之前已经被装载并密封，而且类com.seal.util.StringUtil与

          * 类com.seal.util.DateUtil 来自于相同的Jar文件。所以，不会出现什么问题。顺利通过安全管理器的校验。

          */  

StringUtil su =new StringUtil();  

     su.DoStringStuff();  

/*

      * JVM试图装载类com.seal.util.NumberUtil时，发现该类根本没在sealed_v1.jar中

      * 所以，继续查找sealed_v2.jar，并找到该类。

      * 但JVM发现之前装载的Package com.seal.util 已经被装载并密封，而且来自sealed_v1.jar，

      * 而这个类确来自sealed_v2.jar。这是JVM会报安全异常错误。

      */  

NumberUtil nu =new NumberUtil();  

     nu.DoNumberStuff();  

  }  

}  

了解到上面的原因后，我们可以将sealed_v1.jar和sealed_v2.jar在classpath中的位置调换，然后再执行一次

java -classpath .;D:\sealingTest\case_1\sealed_v2.jar;D:\sealingTest\case_1\sealed_v1.jar SealTestCase1

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doing date stuffs in version 2.0  

doing string stuffs in version 2.0  

doing number stuffs in version 2.0  

我们看到结果正常显示。我们可以看到Package Sealing 保证了版本的一致性。

第三方发布 vs官方发布

第二个例子是某官方发布了一个密封的Jar文件 sealed_official_release.jar。其类如下

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class DateUtil {  

public void DoDateStuff(){  

System.out.println("doing date stuffs officially");  

    }  

}  

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class NumberUtil {  

public void DoNumberStuff(){  

System.out.println("doing number stuffs officially");  

    }  

}  

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class StringUtil {  

public void DoStringStuff(){  

System.out.println("doing string stuffs officially");  

    }  

}  

然后，该官方发布的Jar文件，被某第三方组织更改和发布。Jar文件的名称为 unsealed_3rdparty_release.jar。请注意，与原来官方发布的Jar的另一个不同是这个Jar文件是一个未密封的Jar文件。内容如下，

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class DateUtil {  

public void DoDateStuff(){  

System.out.println("doing modified date stuffs by third party");  

    }  

}  

[java] view plain copy

package com.seal.util;  

public class StringUtil {  

public void DoStringStuff(){  

System.out.println("doing modified string stuffs by third party");  

    }  

}  

那这时，用户手里可能有这两个不同的Jar文件，并且需要运行如下程序

[java] view plain copy

import com.seal.util.DateUtil;  

import com.seal.util.NumberUtil;  

import com.seal.util.StringUtil;  

public class SealTestCase2 {  

public static void main(String[] args){  

DateUtil du =new DateUtil();  

             du.DoDateStuff();  

StringUtil su =new StringUtil();  

             su.DoStringStuff();  

NumberUtil nu =new NumberUtil();  

             nu.DoNumberStuff();  

          }  

}  

我们假设上述两个Jar文件sealed_official_release.jar, unsealed_3rdparty_release.jar和类SealTestCase2.java 都在目录D:\sealingTest\case_2中

运行如下命令，编译类SealTestCase2.java。

javac -classpath .;D:\sealingTest\case_2\unsealed_3rdparty_release.jar;D:\sealingTest\case_2\sealed_official_release.jar SealTestCase2.java

运行如下命令运行SealTestCase2.java。

java -classpath .;D:\sealingTest\case_2\unsealed_3rdparty_release.jar;D:\sealingTest\case_2\sealed_official_release.jar SealTestCase2

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doing modified date stuffs by third party  

doing modified string stuffs by third party  

Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: sealing violation: can't  

 seal package com.seal.util: already loaded  

        at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:242)  

        at java.net.URLClassLoader.access$000(URLClassLoader.java:58)  

        at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:197)  

        at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)  

        at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:190)  

        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:305)  

        at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:301)  

        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:246)  

        at SealTestCase2.main(SealTestCase2.java:15)  

这个Sealing Violation 正是JDK中定义的第二种情况。请看如下的代码注释来进一步理解这个Sealing Violation的产生的根本原因。

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public class SealTestCase2 {  

public static void main(String[] args){  

/*

              * JVM 装载 com.seal.util.DateUtil类，由于Classpath 中unsealed_3rdparty_release.jar在最前面，

              * 所以，com.seal.util.DateUtil类来自于unsealed_3rdparty_release.jar。

              * 我们知道unsealed_3rdparty_release.jar是没有被密封的。

              * JVM 会将Package com.seal.util 进行装载但不会密封它。 

              */  

DateUtil du =new DateUtil();  

             du.DoDateStuff();  

/*

                  * 同样，unsealed_3rdparty_release.jar在classpath中比sealed_official_release.jar靠前，

                  * 类 com.seal.util.StringUtil 也会在unsealed_3rdparty_release.jar中进行装载。

                  * 由于Package com.seal.util之前已经被装载但没有密封，

                  * 所以，不会出现什么问题。顺利通过安全管理器的校验。

                  */  

StringUtil su =new StringUtil();  

             su.DoStringStuff();  

/*

              * JVM试图装载类com.seal.util.NumberUtil时，发现该类根本没在unsealed_3rdparty_release.jar中

              * 所以，继续查找sealed_official_release.jar，并找到该类。请注意sealed_official_release.jar

              * 是被密封的。所以，JVM试图对Package com.seal.util 进行密封。

              * 但JVM发现Package com.seal.util 已经被装载。

              * 这时,JVM会报安全异常错误。

              */  

NumberUtil nu =new NumberUtil();  

             nu.DoNumberStuff();      

          }  

}  

让我们将Jar文件sealed_official_release.jar, unsealed_3rdparty_release.jar的顺序在classpath中调换位置，运行如下命令

java -classpath .;D:\sealingTest\case_2\sealed_official_release.jar;D:\sealingTest\case_2\unsealed_3rdparty_release.jar SealTestCase2

[java] view plain copy

doing date stuffs officially  

doing string stuffs officially  

doing number stuffs officially  

我们看到客户类SealTestCase2执行的所有类是来自官方发布的Jar文件。从而，保证了版本的一致性。