单例模式安全之序列化攻击

单例模式安全之序列化攻击

源码

什么是序列化攻击呢?

简单说,一个单例对象经过序列化再反序列化后,内存中会存在两个对象,这样单例模式就被破坏。

序列化攻击复现

序列化攻击复过程

  1. 获取到单例对象
  2. 对象序列化持久到磁盘
  3. 反序列化成对象

这里采用JDK的自带的序列化方式

单例实现Serializable接口

package com.fine.serialize;

import java.io.Serializable;

/**
 * 单例
 * volatile 双重校验
 *
 * @author finefine at: 2019-05-03 21:43
 */
public class Singleton implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;


    private volatile static Singleton INSTANCE;

    private Singleton() {

    }

    public static Singleton getInstance() {

        if (INSTANCE==null){

            //同步代码块
            synchronized (Singleton.class){
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }

        }
        return INSTANCE;
    }
}

测试代码

package com.fine.serialize;

import java.io.*;

/**
 * @author finefine at: 2019-05-03 21:50
 */
public class DeSerailizeAttackTest {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        try (ObjectOutputStream outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("object"));
             ObjectInputStream inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("object"))) {

            //将对象持久化到磁盘中
            outputStream.writeObject(singleton);
            outputStream.flush();

            //从磁盘中反序列化成对象
            Singleton singleton1 = (Singleton) inputStream.readObject();

            if (singleton == singleton1) {
                System.out.println("是同一个对象");
            } else {
                System.out.println("是两个不同的对象");
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

结果输出了两个不同的对象

image-20190503221321745

通过debug 可以看到确实是两个不同的对象

image-20190503221436080

反序列化攻击源码分析

反序列化攻击的问题代码在此

//默认情况下 该方法重新new对象
private Object readOrdinaryObject(boolean unshared)
        throws IOException
    {
        if (bin.readByte() != TC_OBJECT) {
            throw new InternalError();
        }

        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        desc.checkDeserialize();

        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl == String.class || cl == Class.class
                || cl == ObjectStreamClass.class) {
            throw new InvalidClassException("invalid class descriptor");
        }

        Object obj;
        try {
            obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
        } catch (Exception ex) {
            throw (IOException) new InvalidClassException(
                desc.forClass().getName(),
                "unable to create instance").initCause(ex);
        }

        passHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : obj);
        ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
        if (resolveEx != null) {
            handles.markException(passHandle, resolveEx);
        }

        if (desc.isExternalizable()) {
            readExternalData((Externalizable) obj, desc);
        } else {
            readSerialData(obj, desc);
        }

        handles.finish(passHandle);

                //经过上面的代码,新对象已经被new 出来了, hasReadResolveMethod这个方法很关键 
                //下面的逻辑就是说 如果该类存在一个readResolve 方法就会调用该方法,并重新替换新的对象,如果不存在就直接把new出来的对象返回出去
        if (obj != null &&
            handles.lookupException(passHandle) == null &&
            desc.hasReadResolveMethod())
        {
            Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
            if (unshared && rep.getClass().isArray()) {
                rep = cloneArray(rep);
            }
            if (rep != obj) {
                // Filter the replacement object
                if (rep != null) {
                    if (rep.getClass().isArray()) {
                        filterCheck(rep.getClass(), Array.getLength(rep));
                    } else {
                        filterCheck(rep.getClass(), -1);
                    }
                }
                handles.setObject(passHandle, obj = rep);
            }
        }

        return obj;
    }
    

    /**
     * 
     * 返回该类是否有readResolve方法 
     */
    boolean hasReadResolveMethod() {
        requireInitialized();
        return (readResolveMethod != null);
    }

由于Singleton 类中不存在readResolve ,所以也就导致反序列化出新的对象了。

解决方法

  1. 添加readResolve方法
  2. 使用枚举类

添加readResolve

Singleton 代码

package com.fine.serialize;

import java.io.Serializable;

/**
 * 单例
 * volatile 双重校验
 *
 * @author finefine at: 2019-05-03 21:43
 */
public class Singleton implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;


    private volatile static Singleton INSTANCE;

    private Singleton() {

    }

    public static Singleton getInstance() {

        if (INSTANCE==null){

            //同步代码块
            synchronized (Singleton.class){
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }

        }
        return INSTANCE;
    }
    
    //添加的readResolve方法
    private Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }
}

这里测试代码不用更改,看看测试结果

image-20190503225944248

使用枚举类

单例代码

package com.fine.serialize;

import java.io.Serializable;

/**
 * @author finefine at: 2019-05-03 23:00
 */
public enum  SingletonEnum implements Serializable {
    INSTANCE;

    private static final long serialVersionUID = 2L;
}

测试代码

package com.fine.serialize;

import java.io.*;

/**
 * @author finefine at: 2019-05-03 23:02
 */
public class DeSerailizeEnumAttackTest {

    public static void main(String[] args) {
        SingletonEnum singleton = SingletonEnum.INSTANCE;
        try (ObjectOutputStream outputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("object"));
             ObjectInputStream inputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("object"))) {

            //将对象持久化到磁盘中
            outputStream.writeObject(singleton);
            outputStream.flush();

            //从磁盘中反序列化成对象
            SingletonEnum singleton1 = (SingletonEnum) inputStream.readObject();

            if (singleton == singleton1) {
                System.out.println("是同一个对象");
            } else {
                System.out.println("是两个不同的对象");
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

测试结果

image-20190504000713071

那为什么这里使用枚举类就可以避免反射攻击呢?深入源码分析

JDK 的反序列化都会调用到这个方法,readObject0对每种类型反序列化都做了不同的实现,当对枚举类进行反序列化时进入到TC_ENUM分支,最终调用readEnum方法

 private Object readObject0(boolean unshared) throws IOException {
        boolean oldMode = bin.getBlockDataMode();
        if (oldMode) {
            int remain = bin.currentBlockRemaining();
            if (remain > 0) {
                throw new OptionalDataException(remain);
            } else if (defaultDataEnd) {
                /*
                 * Fix for 4360508: stream is currently at the end of a field
                 * value block written via default serialization; since there
                 * is no terminating TC_ENDBLOCKDATA tag, simulate
                 * end-of-custom-data behavior explicitly.
                 */
                throw new OptionalDataException(true);
            }
            bin.setBlockDataMode(false);
        }

        byte tc;
        while ((tc = bin.peekByte()) == TC_RESET) {
            bin.readByte();
            handleReset();
        }

        depth++;
        totalObjectRefs++;
        try {
            switch (tc) {
                case TC_NULL:
                    return readNull();

                case TC_REFERENCE:
                    return readHandle(unshared);

                case TC_CLASS:
                    return readClass(unshared);

                case TC_CLASSDESC:
                case TC_PROXYCLASSDESC:
                    return readClassDesc(unshared);

                case TC_STRING:
                case TC_LONGSTRING:
                    return checkResolve(readString(unshared));

                case TC_ARRAY:
                    return checkResolve(readArray(unshared));

                //枚举类
                case TC_ENUM:
                    return checkResolve(readEnum(unshared));

                //Object
                case TC_OBJECT:
                    return checkResolve(readOrdinaryObject(unshared));

                case TC_EXCEPTION:
                    IOException ex = readFatalException();
                    throw new WriteAbortedException("writing aborted", ex);

                case TC_BLOCKDATA:
                case TC_BLOCKDATALONG:
                    if (oldMode) {
                        bin.setBlockDataMode(true);
                        bin.peek();             // force header read
                        throw new OptionalDataException(
                            bin.currentBlockRemaining());
                    } else {
                        throw new StreamCorruptedException(
                            "unexpected block data");
                    }

                case TC_ENDBLOCKDATA:
                    if (oldMode) {
                        throw new OptionalDataException(true);
                    } else {
                        throw new StreamCorruptedException(
                            "unexpected end of block data");
                    }

                default:
                    throw new StreamCorruptedException(
                        String.format("invalid type code: %02X", tc));
            }
        } finally {
            depth--;
            bin.setBlockDataMode(oldMode);
        }
    }

readEnum 最终调用了Enum.valueOf 返回实例对象

private Enum<?> readEnum(boolean unshared) throws IOException {
        if (bin.readByte() != TC_ENUM) {
            throw new InternalError();
        }

        ObjectStreamClass desc = readClassDesc(false);
        if (!desc.isEnum()) {
            throw new InvalidClassException("non-enum class: " + desc);
        }

        int enumHandle = handles.assign(unshared ? unsharedMarker : null);
        ClassNotFoundException resolveEx = desc.getResolveException();
        if (resolveEx != null) {
            handles.markException(enumHandle, resolveEx);
        }

        String name = readString(false);
        Enum<?> result = null;
        Class<?> cl = desc.forClass();
        if (cl != null) {
            try {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                //这里找到了实例
                Enum<?> en = Enum.valueOf((Class)cl, name);
                result = en;
            } catch (IllegalArgumentException ex) {
                throw (IOException) new InvalidObjectException(
                    "enum constant " + name + " does not exist in " +
                    cl).initCause(ex);
            }
            if (!unshared) {
                handles.setObject(enumHandle, result);
            }
        }

        handles.finish(enumHandle);
        passHandle = enumHandle;
        return result;
    }

总结

经过单例模式安全之反射攻击和本片文章的内容,可以发现,使用枚举类实现单例是非常有利的,不用开发者考虑太多其他的因素。从单例的角度及安全的角度来看,枚举单例模式有以下三个特点:

  • jvm 底层保证线程安全。
  • jvm 底层抑制了反射攻击。
  • jdk 序列化方式的特殊处理,防止了反序列化攻击。
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