Java类加载机制与反序列化基础教学文档

1. 类加载器概述

类加载器(ClassLoader)是Java虚拟机(JVM)的重要组成部分，负责将Class文件加载到JVM中，使其能够被程序使用。

1.1 类加载器的主要功能

• 加载Class文件
• 将抽象类实例化（如Student student = new Student();）

1.2 类加载器层次结构

Java中有四种主要的类加载器：

1. 引导类加载器(BootstrapClassLoader)

   • 底层由C++编写，是JVM的一部分
   • 不继承java.lang.ClassLoader类
   • 没有父加载器
   • 负责加载核心Java库(JVM本身)
   • 加载路径：/jre/lib/rt.jar
   • 只加载包名为java、javax、sun等开头的类

2. 扩展类加载器(ExtensionsClassLoader)

   • 由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
   • 加载路径：/jre/lib/ext或java.ext.dirs指定的目录
   • 用于加载Java扩展库

3. 应用程序类加载器(AppClassLoader)

   • 由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现
   • 通过java.class.path或Classpath环境变量加载类
   • 通常用于加载应用程序类
   • 可通过ClassLoader.getSystemClassLoader()获取

2. 双亲委派机制

双亲委派机制是Java类加载的安全机制，确保核心类库的安全性。

2.1 双亲委派工作原理

类加载器在被调用时(new class)，按以下顺序查找类：

BOOT(引导类加载器) → EXC(扩展类加载器) → APP(应用程序类加载器)

2.2 双亲委派示例

错误示例：

package java.lang;

public class String {
    public String toString(){
        return "hello";
    }
    public static void main(String[] args) {
        String s = new String();
        s.toString();
    }
}

• 会报错，因为与BOOT加载器中的String冲突

正确示例：

package src.DynamicClassLoader;

public class Student {
    public String toString(){
        return "Hello";
    }
    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        System.out.println(student.getClass().getClassLoader());
        System.out.println(student.toString());
    }
}

• 可以正常加载，因为BOOT和EXC加载器中都没有Student类

3. 代码块加载顺序

Java中有四种主要代码块：

1. 静态代码块：static{}
2. 构造代码块：{}
3. 无参构造器：ClassName()
4. 有参构造器：ClassName(String name)

3.1 不同场景下的加载顺序

场景一：实例化对象

Person person = new Person();

加载顺序：

1. 静态代码块
2. 构造代码块
3. 构造器(根据实例化方式调用无参或有参构造器)

场景二：调用静态方法

Person.staticAction();

加载顺序：

1. 静态代码块
2. 静态方法

场景三：对静态成员变量赋值

Person.staticVar = 1;

加载顺序：

1. 静态代码块

场景四：使用class获取类

Class c = Person.class;

结果：

• 不会加载类，无输出

场景五：使用forName获取类

三种形式：

1. Class.forName("src.DynamicClassLoader.Person")
   • 会调用静态代码块
2. Class.forName("src.DynamicClassLoader.Person", true, ClassLoader.getSystemClassLoader())
   • 会调用静态代码块
3. Class.forName("src.DynamicClassLoader.Person", false, ClassLoader.getSystemClassLoader())
   • 不会调用静态代码块

场景六：使用ClassLoader.loadClass()

ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.xiinnn.i.test.Person");

结果：

• 不会进行类的初始化，无输出
• 如果后续使用newInstance()初始化，则与场景一相同

4. 类加载在反序列化中的应用

在Java反序列化中，理解类加载机制至关重要：

1. 动态加载类：攻击者可能利用类加载机制加载恶意类
2. 绕过安全限制：理解双亲委派机制有助于理解某些安全限制的绕过方式
3. 代码执行：通过控制类加载过程可能实现任意代码执行

4.1 关键点

• 类加载器决定了类的可见性和安全性
• 双亲委派机制是Java安全模型的重要组成部分
• 不同加载方式(如forName与loadClass)的行为差异可能被利用
• 静态代码块在类初始化时执行，是反序列化攻击的常见切入点

5. 防御措施

1. 严格限制反序列化的类白名单
2. 使用SecurityManager限制类加载
3. 及时更新Java运行环境
4. 避免使用不安全的反序列化方法

理解这些类加载机制对于Java安全开发和反序列化漏洞分析至关重要。