基于 Java 2 运行时安全模型的线程协作

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Java安全机制

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本文介绍了Java2的运行时安全模型，该模型基于策略和堆栈授权，允许管理员为应用定制安全策略。文章详细解释了保护域、权限和策略的概念，并通过示例展示了如何在多线程环境下构建安全协作的Java应用。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

Java 2 的运行时安全模型是基于策略和堆栈授权的安全模型。Java 使用存取控制器（AccessController）为用户主机上的大部分关键资源（如文件，套接字等）提供运行时保护，并且允许管理员为具体的应用定制安全策略文件。本文将讨论在多线程的环境下，如何使用 Java 提供的安全特性构建线程间安全协作的 Java 应用。

在 Java 2 之前的版本，运行时的安全模型使用非常严格受限的沙箱模型（Sandbox）。读者应该熟悉，Java 不受信的 Applet 代码就是基于这个严格受限的沙箱模型来提供运行时的安全检查。沙箱模型的本质是，任何本地运行的代码都是受信的，有完全的权限来存取关键的系统资源。而对于 Applet，则属于不受信的代码，只能访问沙箱范围内有限的资源。当然，您可以通过数字签名的方式配置您的 Applet 为受信的代码，具有同本地代码一样的权限。

从 Java 2 开始，Java 提供了基于策略（Policy）与堆栈授权的运行时安全模型，它是一个更加细粒度的存取控制，易于配置与扩展，其总体的架构如图 1 所示：

图 1. Java 2 安全模型

简单来讲，当类由类装载器（Class Loader）载入到 JVM 运行，这些运行时的类会根据 Java Policy 文件的配置，被赋予不同的权限。当这些类要访问某些系统资源（例如打开 Socket、读写文件等），或者执行某些敏感的操作（例如存取密码）时，Java 的安全管理器（ava.lang.SecuirtyManager）的检查权限方法将被调用，检查这些类是否具有必要的权限来执行该操作。

在继续深入讨论之前，我们先来澄清下面的几个概念：

策略，即系统安全策略，由用户或者管理员配置，用来配置执行代码的权限。运行时的 java.security.Policy 对象用来代表该策略文件。
权限，Java 定义了层次结构的权限对象，所有权限对象的根类是 java.security.Permission。权限的定义涉及两个核心属性：目标（Target）与动作 (Action)。例如对于文件相关的权限定义，其目标就是文件或者目录，其动作包括：读，写，删除等。
保护域，保护域可以理解为具有共同的权限集的类的集合。

在 Java 2 里，权限实际上是被赋予保护域的，而不是直接赋给类。权限、保护域和类之间的映射关系如图 2。

图 2. 类，保护域，权限的映射关系

如图 2 所示，当前运行时堆栈是从 a.class 到 e.class。在运行时堆栈上的每一帧（Stack Frame）都会被 Java 划归为某个保护域（保护域是 Java 根据 Policy 文件配置构建出来的）。Java 的安全管理器在执行权限检查时，会对堆栈上的每个 Stack Frame 做权限检查，当且仅当每个 Stack Frame 被赋予的权限集都暗含（Imply）了所要求的权限时，该操作才被允许执行，否则 java.security.AccessControlException 异常将被抛出，该操作执行失败。

有关 Java 2 安全模型，有几点需要特别说明：

该模型是基于堆栈授权的，这在多线程的环境下，同样适用。例如当父线程创建了子线程，子线程的执行被看作是父线程执行的继续，所以 Java 的安全管理器在权限检查时，所检查的运行时堆栈，既包括当前子线程的，也包括从父线程那里继承过来的运行时堆栈。这意味着，用户不可能通过线程的创建来获得额外的权限。
Java 的开发者可以使用 AccessController.doPrivileged 来优化权限检查带来的额外性能开销。如图 3 所示，Java 的权限检查将从堆栈的顶部开始，逐一向下，直到碰到 doPrivileged 的方法调用，或者到达堆栈底部为止。使用 doPrivileged 可以避免不必要的栈遍历（Stack Traverse），提高程序的性能。
在该模型中，有一个特殊的保护域，系统域（System Domain）。所有被 null类装载器所装载的类都被称为系统代码，其自动拥有所有的权限。而且，所有的重要的受保护的外部资源，如文件系统、网络、屏幕、键盘等只能通过系统代码获得。

图 3. doPrivileged Stack Frame

接下来，本文会给出一个简单的示例，然后我们根据这个示例，进一步深入，来创建一个线程间安全协作的应用。

示例

我们的示例很简单：客户端调用 LogService 提供的 API，把 Message 写入到磁盘文件。

清单 1. 客户端程序

package sample.permtest.client;
    ……
    public class Client {
        ……
        public static void main(String[] args) {
        //构造消息日志，使用LogService将其写入c:\\paper\\client\\out.tmp文件。
        Message message = new Message("c:\\paper\\client\\out.tmp", 
	    "Hi, this is called from client"+'\n');
        LogService.instance.log(message);
		
        //构造消息日志，使用LogService将其写入c:\\paper\\server\\out.tmp文件。
        message = new Message("c:\\paper\\server\\out.tmp", 
	    "Hi, this is called from client"+'\n');
        LogService.instance.log(message);	
    }
}

清单 2. LogService

package sample.permtest.server;
……
public class LogService {
    ……
	
    public void log(Message message) {
        final String destination = message.getDestination();
        final String info        = message.getInfo();
        FileWriter filewriter = null;
        try
        {
            filewriter = new FileWriter(destination, true);
            filewriter.write(info);
            filewriter.close();
        }
        catch (IOException ioexception)
        {
            ioexception.printStackTrace();
        }
    }
}

如清单 1、2 所示，这就是一个普通的 Java 应用程序。我们把这个程序放在 Java 的安全模型中执行。Client 类放在 client.jar JAR 包里，而 LogService 类放在 server.jar JAR 包里

首先我们使用 keytool 工具来生成我们需要的 keystore 文件，以及需要的数字证书，如清单 3 所示。

清单 3. 生成 keystore 文件及其数字证书

>keytool -genkey -alias client  -keyalg RSA -keystore C:\paper\.keystore 
>keytool -genkey -alias server  -keyalg RSA -keystore C:\paper\.keystore

在清单 3 中，我们生成了 C:\paper\.keystore 文件，使用 RSA 算法生成了别名为 client 与 server 的两个数字证书。（注 : 为方便起见，keystore 与 client，server 证书的密钥都是 111111）

我们使用如清单 4 所示的命令来签名 client.jar 与 server.jar。

清单 4. 签名 JAR 文件

>jarsigner.exe  -keystore C:\paper\.keystore  
    -storepass  111111  c:\paper\client.jar  client
>jarsigner.exe  -keystore C:\paper\.keystore  
    -storepass  111111  c:\paper\server.jar  server

在清单 4 中，我们使用了别名为 client 的数字证书来签名 client.jar 文件，使用别名为 server 的数字证书来签名 server.jar 文件。

使用图形化的工具 policytool.exe 创建清单 5 所示的 Policy 文件。

清单 5. Policy 文件

/* AUTOMATICALLY GENERATED ON Thu May 14 15:40:25 CST 2009*/ 
/* DO NOT EDIT */ 

keystore "file:////C:/paper/.keystore"; 

grant signedBy "client" { 
    permission java.io.FilePermission "c:\\paper\\client\\*","read,write"; 
}; 

grant signedBy "server" { 
    permission java.security.AllPermission; 
};

Policy 文件指出，所有被”client”签名的代码具有读写” c:\\paper\\client\\”目录下所有文件的权限，而所有被”server”签名的代码具有所有的权限。Java 将根据该策略文件按照签名者创建相应的保护域。

一切就绪，我们运行代码，如清单 6 所示。

清单 6. 运行程序

>java -Djava.security.manager 
    -Djava.security.policy=my.policy -classpath client.jar;server.jar   
    sample.permtest.client.Client

有两个运行时选项特别重要，-Djava.security.manager 告诉 JVM 装载 Java 的安全管理器，进行运行时的安全检查，而 -Djava.security.policy 用来指定我们使用的策略文件。

运行的结果如清单 7 所示。

清单 7. 运行结果

Exception in thread "main" java.security.AccessControlException: access denied ( 
java.io.FilePermission c:\paper\server\out.tmp write) 
       at java.security.AccessControlContext.checkPermission(Unknown Source) 
       at java.security.AccessController.checkPermission(Unknown Source) 
       at java.lang.SecurityManager.checkPermission(Unknown Source) 
       at java.lang.SecurityManager.checkWrite(Unknown Source) 
       at java.io.FileOutputStream.<init>(Unknown Source) 
       at java.io.FileOutputStream.<init>(Unknown Source) 
       at java.io.FileWriter.<init>(Unknown Source) 
       at sample.permtest.server.LogService.log(LogService.java:19) 
       at sample.permtest.client.Client.main(Client.java:16)

客户端运行后，第一条消息成功写入 c:\\paper\\client\\out.tmp 文件，而第二条消息由于没有 c:\paper\server\out.tmp 文件的写权限而被拒绝执行。

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线程间的安全协作

前一节本文给出的示例，如果放在线程间异步协作的环境里，情况会变得复杂。如图 4 所示。

图 4. 线程的异步协作

如图 4，在这样的情景下，客户端线程的运行时堆栈完全独立于服务器端的线程，它们之间仅仅通过共享的数据结构消息队列进行异步协作。例如：当客户端线程放入 Message X，而后，服务器端的线程拿到 Message X 进行处理，我们仍然假设 Message X 是希望服务器端线程将消息写入 c:\paper\server\out.tmp 文件。在这个时候，服务程序怎样才能确保客户端具有写入 c:\paper\server\out.tmp 文件的权限？

Java 提供了基于线程协作场景的解决方案，如清单 8 所示：

清单 8. 线程协作版本的 LogService

package sample.permtest.thread.server;
……
public class LogService implements Runnable
{
    ……
    public synchronized void log(Message message)
    {
        //该方法将在客户端线程环境中执行
        //在消息放入队列的时候，我们把客户端线程的执行环境通过 
        //AccessController.getContext() 得到，
        //并及时保存下来。
        message.m_accesscontrolcontext = AccessController.getContext();
        _messageList.add(message);
        notifyAll();
    }
    ……
    //从队列中取出消息，并逐一处理
    public void run()
    {
        while (true)
        {
            Message message = null;
            try
            {
                message = retrieveMessage();
            }
            catch (InterruptedException interruptedexception)
            {
                break;
            }
            final String destination = message.getDestination();
            final String stringMessage = message.getInfo();
            AccessController.doPrivileged
            (
                new PrivilegedAction()
                {
                    public Object run()
                    {
                        FileWriter filewriter = null;
                         try
                        {
                            filewriter = new FileWriter(destination, true);
                            filewriter.write(stringMessage);
                            filewriter.close();
                        }
                        catch (IOException ioexception)
                        {
                            ioexception.printStackTrace();
                        }
                        return null;
                    }
                },
                message.m_accesscontrolcontext 
		//将客户端线程当时的执行环境传入，进行权限检查。
            );
        }
    }
}

消息类的 m_accesscontrolcontext 成员变量是一个 AccessControlContext 对象，它封装的当前线程的执行环境快照，我们可以通过调用 AccessController 的 getContext 方法获得。安全的线程协作工作原理如图 5 所示。

图 5. 线程异步协作权限检查路径

图 5 中的箭头指示了 Java 的安全管理器权限检查的路径，从当前的帧 (Frame) 开始，沿着服务器端线程的运行时堆栈检查，直到碰到了 AccessController.doPrivileged 帧。由于我们在调用 doPrivileged 方法时，传入了 m_accesscontrolcontext，也就是客户端线线程在往消息队列里插入消息时的执行环境，所以 Java 的安全管理器会跳转到该执行环境，沿着客户端插入消息时的执行堆栈逐一检查。

在本节线程版本的 Log 服务实现中，Client 类在 sample.permtest.thread.client 包里，该包被导出为 thread_client.jar JAR 包，而 LogService 在 sample.permtest.thread.server 包里，该包被导出为 thread_server.jar JAR 包。而有关这部分的包签名与上节类似，使用了与上节相同的数字证书。

关于完整的源代码，读者可以在本文后面的资源列表中下载。

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小结

本文通过示例，详尽描述了 Java 2 运行时的安全模型特性，以及基于该模型，如何构建安全的线程协作应用。值得一提的是，当您的 Java 应用使用的 Java 2 所提供的运行时安全模型，程序性能的降低是必然的，因为我们已经看到，Java 2 的安全模型是基于堆栈授权的，这意味着，每一次 Java 安全管理器检查权限方法的执行，都会遍历当前运行时行堆栈的所有帧，以确定是否满足权限要求。所以您的设计一定要在安全与性能之间取舍。当然，当您在应用了 Java 的安全模型后，您仍然有机会进行性能的优化，比如使用 doPrivileged 方法去掉不必要的堆栈遍历，更进一步，您可以根据自己应用的特点，通过继承 java.lang. SecurityManager 类，来开发适合自己应用的安全管理器。

原文地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-rtsecurity/