Java Runtime.getRuntime().exec 命令执行深度解析

问题概述

Java中Runtime.getRuntime().exec()方法用于执行系统命令，但在某些情况下会出现命令执行失败的情况，特别是当命令中包含特殊字符如&、|等时。

问题复现

测试代码

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class linux_cmd1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String cmd = "cmd which you want to exec";
        InputStream in = Runtime.getRuntime().exec(cmd).getInputStream();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        byte[] b = new byte[1024];
        int a = -1;
        while ((a = in.read(b)) != -1) {
            baos.write(b, 0, a);
        }
        System.out.println(new String(baos.toByteArray()));
    }
}

成功与失败的情况

• 成功情况：执行简单命令如echo 2333
• 失败情况：执行包含特殊字符的命令如echo 2333 && echo 2333

表面解释

传统解释：Runtime.getRuntime().exec()执行命令时没有shell上下文环境，无法处理&、|等特殊符号。

解决方案

1. 命令编码：对执行命令进行编码
2. 使用数组形式：

String[] command = {"/bin/sh", "-c", "echo 2333 2333 2333 && echo 2333 2333 2333"};
InputStream in = Runtime.getRuntime().exec(command).getInputStream();

源码深度分析

字符串参数执行流程

1. 进入java.lang.Runtime#exec(java.lang.String, java.lang.String[], java.io.File)
2. 关键点1：StringTokenizer将命令字符串按\t\n\r\f分割成数组cmdarray
3. 调用ProcessBuilder.start()
4. ProcessBuilder.start()调用ProcessImpl.start()
5. 关键点2：cmdarray[0]作为命令，cmdarray[1:]作为参数转换为字节数组argBlock（以\x00分隔）
6. 最终调用UNIXProcess的forkAndExec方法

字符串数组参数执行流程

1. 直接进入java.lang.Runtime#exec(java.lang.String[])
2. 跳过StringTokenizer处理
3. 后续流程与字符串情形一致

关键区别

• 字符串模式：echo 2333 && echo 2333被分割为["echo", "2333", "&&", "echo", "2333"]
• 数组模式：["/bin/sh", "-c", "echo 2333 && echo 2333"]保持完整

JVM底层分析

执行流程

1. java.lang.Runtime.exec(cmd)
2. java.lang.ProcessBuilder.start()
3. java.lang.ProcessImpl.start()
4. Java_java_lang_UNIXProcess_forkAndExec() (native方法)
5. 调用系统fork或vfork或posix_spawn
6. 最终调用execvp()

参数传递差异

• 数组模式：

  execvp("/bin/bash", ["/bin/bash", "-c", "echo 2333 && echo 2333"])
  

• 字符串模式：

  execvp("/bin/bash", ["/bin/bash", "-c", "'echo", "2333", "&&", "echo", "2333'"])
  

根本原因

字符串形式下命令执行失败的本质是：

1. StringTokenizer将命令分割破坏了原始语义
2. execvp本身不解释特殊符号如&、|
3. 数组形式成功是因为通过/bin/bash解释执行，由shell处理特殊符号

结论

1. Runtime.getRuntime().exec()执行字符串命令时，会通过StringTokenizer分割命令
2. 这种分割会破坏包含特殊符号的命令的原始语义
3. 使用数组形式并指定shell解释器可以绕过此限制
4. 底层是通过execvp系统调用执行命令，不涉及shell解释，除非显式调用shell

最佳实践

1. 对于简单命令，可以直接使用字符串形式

2. 对于包含特殊符号的复杂命令：

   • 使用数组形式
   • 显式指定shell解释器
   • 示例：

     String[] command = {"/bin/sh", "-c", "your_command_with_special_chars"};
     Runtime.getRuntime().exec(command);
     

3. 避免直接将不可信输入拼接到命令字符串中，以防止命令注入