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java安全编码指南之:Mutability可变性


简介

mutable(可变)和immutable(不可变)对象是我们在java程序编写的过程中经常会使用到的。

可变类型对象就是说,对象在创建之后,其内部的数据可能会被修改。所以它的安全性没有保证。

而不可变类型对象就是说,对象一旦创建之后,其内部的数据就不能够被修改,我们可以完全相信这个对象。

虽然mutable对象安全性不够,但是因为其可以被修改,所以会有效的减少对该对象的拷贝。

而immutable对象因为不可改变,所以尝试对该对象的修改都会导致对象的拷贝,从而生成新的对象。

我们最常使用的String就是一个immutable对象。

那么可变性在java的安全编码中的最佳实践是怎么样的呢? 一起来看看吧。

可变对象和不可变对象

知道了可变对象和不可变对象的不同之处之后,我们看一下怎么才能判断这个对象是可变对象还是不可变对象呢?

首先,最简单的一点就是,不可变对象创建之后就不能够被修改,所以不可变对象里面基本上没有setXXX之类的方法,而可变对象提供了setXXX这些可以修改内部变量状态的方法。

看一个例子java.util.Date是一个可变对象,而java.time.LocalTime是不可变对象。

看下他们的方法定义有什么区别呢?

java安全编码指南之:Mutability可变性 1

首先是Date,我们可以看到在其中定义了很多setXXX方法。

java安全编码指南之:Mutability可变性 2

而在LocalTime中,我们基本上看不到setXXX方法。

同时不可变对象的字段基本上都是final的,防止被二次修改。

第二,不可变对象一般来说是不可继承的,在java中就是以final关键字做限定的:

public class Date
public final class LocalTime

第三,不可变对象一般会隐藏构造函数,而是使用类似工厂模式的方法来创建对象,这样为实例的创建提供了更多的机动性。

创建mutable对象的拷贝

那么如果我们想使用mutable对象,又不想被别人修改怎么办呢?

简单的办法就是拷贝一份要使用的对象:

public class CopyOutput {
private final java.util.Date date;
...
public java.util.Date getDate() {
return (java.util.Date)date.clone();
}
}

这里大家还要注意深拷贝和浅拷贝的问题。

为mutable类创建copy方法

既然要为mutable对象创建拷贝,那么相应的mutable类也需要提供一个copy方法来协助拷贝。

这里需要考虑一个深拷贝和浅拷贝的问题。

不要相信equals

我们知道在HashMap中怎么去查找一个key呢?先去找这个key的hash值,然后去判断key.equals方法是否相等,考虑下面这种情况:

private final Map extras = new HashMap();

public void op(Window window) {
Extra extra = extras.get(window);
}

op方法接收一个Window对象,然后将其当成key从HashMap中取出对应的value。

如果,这个时候,我们有一个类A继承了Window,并且hash值和equals都和另外一个Window对象B相同,那么使用A这个key可以获取到B这个key存储的数据!

怎么解决这个问题呢?

Java中有一个特别的HashMap:IdentityHashMap,这个Map的key和value比较是用==而不是equals方法,所以可以有效的避免上面出现的问题。

private final Map extras = new IdentityHashMap();

public void op(Window window) {
Extra extra = extras.get(window);
}

如果没有这样的Map可用,那么可以使用不可变对象作为key或者使用Window的私有变量,从而恶意攻击者无法获得这个变量。

public class Window {
/* pp */
class PrivateKey {
Window getWindow() {
return Window.this;
}
}
final PrivateKey privateKey = new PrivateKey();

private final Map extras =
new WeakHashMap();
...
}

public class WindowOps {
public void op(Window window) {
// Window.equals may be overridden,
// but safe as we don't use it.
Extra extra = extras.get(window.privateKey);
...
}
}

不要直接暴露可修改的属性

如果一个可变类中的某个属性确实需要暴露被外部使用,那么一定要将这个属性定义为private,并且使用wrapper方法将其包装起来。

如果直接暴露出去,那么基本上就没有权限控制可言,任何程序只要能够拿到你这个对象,就可以对属性进行修改。考虑下下面的应用方式,我们在修改state的方法中加入了一个参数校验和权限控制。

public final class WrappedState {
// private immutable object
private String state;

// wrapper method
public String getState() {
return state;
}

// wrapper method
public void setState(final String newState) {
this.state = requireValidation(newState);
}

private static String requireValidation(final String state) {
if (...) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
return state;
}
}

public static fields应该被置位final

同样的,如果你是一个类变量,当然不希望这个变量会被任何人修改,那么需要将其置位final。

public class Files {
public static final String separator = "/";
public static final String pathSeparator = ":";
}

public static final field 应该是不可变的

如果类变量是public static final的,那么这个变量一定要是不可变的。

有人会问了,都定义成了final了,是不是就已经不可变了?

其实不然,比如我们定义了一个final的List,虽然这个list不能变化,但是list里面的值是可以变化的。我们需要将可变变量修改为不可变变量,如下所示:

import static java.util.Arrays.asList;
import static java.util.Collections.unmodifiableList;
...
public static final List names = unmodifiableList(asList(
"Fred", "Jim", "Sheila"
));

如果使用JDK9中引入的of()或者ofEntries()方法,可以直接创建不可修改的集合:

public static final List
names =
List.of("Fred", "Jim", "Sheila");

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