88. 保护性的编写 readObject 方法

第 50 条介绍了一个不可变的日期范围类，它包含可变的私有变量 Date。该类通过在其构造器和访问方法（accessor）中保护性的拷贝 Date 对象，极力维护其约束条件和不可变性。该类代码如下所示：

// Immutable class that uses defensive copying
public final class Period {
    private final Date start;
    private final Date end;
    /**
     * @param start the beginning of the period
     * @param end the end of the period; must not precede start
     * @throws IllegalArgumentException if start is after end
     * @throws NullPointerException if start or end is null
     */
    public Period(Date start, Date end) {
        this.start = new Date(start.getTime());
        this.end = new Date(end.getTime());
        if (this.start.compareTo(this.end) > 0)
            throw new IllegalArgumentException(start + " after " + end);
    }
    public Date start () {
        return new Date(start.getTime());
    }
    public Date end () {
        return new Date(end.getTime());
    }
    public String toString() {
        return start + " - " + end;
    }
    ... // Remainder omitted
}

假设你决定要把这个类成为可序列化的。因为 Period 对象的物理表示法正好反映了它的逻辑数据内容，所以，使用默认的序列化形式是合理的（详见 87 条）。因此，为了使这个类成为可序列化的，似乎你所需要做的也就是在类的声明中增加 implements Serializable 字样。然而，如果你真的这么做，那么这个类就不保证它的关键约束了。

问题在于 readObject 方法实际上相当于另外一个公有的构造器，它要求同其他构造器一样警惕所有的注意事项。构造器必须检查其参数的有效性（详见 49 条），并且在必要的时候对参数进行保护性拷贝（详见 50 条），同样的，readObject 方法也需要这样做。如果 readObject 方法无法做到这两者之一，对于攻击者来说要违反这个类的约束条件就相对容易很多。

不严格的说， readObject 方法是一个「用字节流作为唯一参数」的构造器。在正常使用的情况下，对一个正常构造的实例进行序列化可以产生字节流。但是，当面对一个人工仿造的字节流时， readObject 产生的对象会违反它所属类的约束条件，这时问题就产生了。这种字节流可以用来创建一个不可能的对象（impossible object），这时利用普通构造器无法创建的。

假设我们仅仅在 Period 类的声明加上了 implements Serializable 字样。那么这个丑陋的程序代码将会产生一个 Period 实例，他的结束时间比起始时间还早。对于高位 byte 值进行强制类型转换是 Java 缺少 byte 并且做出 byte 类型签名的不幸决定的后果：

public class BogusPeriod {
    // Byte stream couldn't have come from a real Period instance!
    private static final byte[] serializedForm = {
        (byte)0xac, (byte)0xed, 0x00, 0x05, 0x73, 0x72, 0x00, 0x06,
        0x50, 0x65, 0x72, 0x69, 0x6f, 0x64, 0x40, 0x7e, (byte)0xf8,
        0x2b, 0x4f, 0x46, (byte)0xc0, (byte)0xf4, 0x02, 0x00, 0x02,
        0x4c, 0x00, 0x03, 0x65, 0x6e, 0x64, 0x74, 0x00, 0x10, 0x4c,
        0x6a, 0x61, 0x76, 0x61, 0x2f, 0x75, 0x74, 0x69, 0x6c, 0x2f,
        0x44, 0x61, 0x74, 0x65, 0x3b, 0x4c, 0x00, 0x05, 0x73, 0x74,
        0x61, 0x72, 0x74, 0x71, 0x00, 0x7e, 0x00, 0x01, 0x78, 0x70,
        0x73, 0x72, 0x00, 0x0e, 0x6a, 0x61, 0x76, 0x61, 0x2e, 0x75,
        0x74, 0x69, 0x6c, 0x2e, 0x44, 0x61, 0x74, 0x65, 0x68, 0x6a,
        (byte)0x81, 0x01, 0x4b, 0x59, 0x74, 0x19, 0x03, 0x00, 0x00,
        0x78, 0x70, 0x77, 0x08, 0x00, 0x00, 0x00, 0x66, (byte)0xdf,
        0x6e, 0x1e, 0x00, 0x78, 0x73, 0x71, 0x00, 0x7e, 0x00, 0x03,
        0x77, 0x08, 0x00, 0x00, 0x00, (byte)0xd5, 0x17, 0x69, 0x22,
        0x00, 0x78
    };
    public static void main(String[] args) {
        Period p = (Period) deserialize(serializedForm);
        System.out.println(p);
    }
    // Returns the object with the specified serialized form
    static Object deserialize(byte[] sf) {
    try {
            return new ObjectInputStream(
        new ByteArrayInputStream(sf)).readObject();
    }
    catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
        throw new IllegalArgumentException(e);
    }
    }
}

被用来初始化 serializedForm 的 byte 常量数组是这样产生的：首先对一个正常的 Period 实例进行序列化，然后对得到的字节流进行手工编辑。对于这个例子而言，字节流的细节并不重要，如果你对此十分好奇，可以在《Java Object Serialization Specification》[Serialization, 6] 中查到有关序列化字节流格式的描述信息。如果运行这个程序，它会打印出「Fri Jan 01 12:00:00 PST 1999 - Sun Jan 01 12:00:00 PST 1984」。主要把 Period 类声明成为可序列化的，这会使我们创建出其违反类约束条件的对象。

为了修整这个问题，可以为 Period 提供一个 readObject 方法，该方法首先调用 defaultReadObject，然后检查被反序列化之后的对象有效性。如果有效性检查失败，readObject 方法就会抛出一个 InvalidObjectException 异常，这使得反序列化过程不能成功的完成：

// readObject method with validity checking - insufficient!
private void readObject(ObjectInputStream s)
        throws IOException, ClassNotFoundException {
    s.defaultReadObject();
    // Check that our invariants are satisfied
    if (start.compareTo(end) > 0)
    throw new InvalidObjectException(start +" after "+ end);
}

尽管这样的修成避免了攻击者创建无效的 Period 实例，但是这里依旧隐藏着一个更为微妙的问题。通过伪造字节流，要想创建可变的 Period 实例仍是有可能的，做法是：字节流以一个有效的 Period 实例开头，然后附加上两个额外的引用，指向 Period 实例中两个私有的 Date 字段。攻击者从 ObjectInputStream 读取 Period 实例，然后读取附加在其后面的「恶意编制的对线引用」。这些对象引用使得攻击者能够访问到 Period 对象内部的私有 Date 字段所引用的对象。通过改变这些 Date 实例，攻击者可以改变 Period 实例。如下的类演示了这种攻击方式：

public class MutablePeriod {
    // A period instance
    public final Period period;
    // period's start field, to which we shouldn't have access
    public final Date start;
    // period's end field, to which we shouldn't have access
    public final Date end;
    
    public MutablePeriod() {
        try {
            ByteArrayOutputStream bos =
            new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream out =
            new ObjectOutputStream(bos);
            // Serialize a valid Period instance
            out.writeObject(new Period(new Date(), new Date()));
            /*
             * Append rogue "previous object refs" for internal
             * Date fields in Period. For details, see "Java
             * Object Serialization Specification," Section 6.4.
            */
            byte[] ref = { 0x71, 0, 0x7e, 0, 5 };
            // Ref #5
            bos.write(ref);
            // The start field
            ref[4] = 4;
            // Ref # 4
            bos.write(ref);
            // The end field
            // Deserialize Period and "stolen" Date references
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(
            new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()));
            period = (Period) in.readObject();
            start = (Date) in.readObject();
            end = (Date) in.readObject();
        }
        catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            throw new AssertionError(e);
        }
    }
}

要查看正在进行的攻击，请运行以下程序：

public static void main(String[] args) {
    MutablePeriod mp = new MutablePeriod();
    Period p = mp.period;
    Date pEnd = mp.end;
    // Let's turn back the clock
    pEnd.setYear(78);
    System.out.println(p);
    // Bring back the 60s!
    pEnd.setYear(69);
    System.out.println(p);
}

在我本地机器上运行这个程序产生的输出结果如下：

Wed Nov 22 00:21:29 PST 2017 - Wed Nov 22 00:21:29 PST 1978
Wed Nov 22 00:21:29 PST 2017 - Sat Nov 22 00:21:29 PST 1969

虽然 Period 实例被创建之后，他的约束条件没有被破坏。但是要随意修改它的内部组件仍然是有可能的。一旦攻击者获得了一个可变的 Period 实例，就可以将这个实例传递给一个「安全性依赖于 Period 的不可变性」的类，从而造成更大的危害。这种推断并不牵强：实际上，有许多类的安全性就是依赖于 String 的不可变性。

问题的根源在于，Period 的 readObject 方法并没有完成足够的保护性拷贝。 当一个对象被反序列化的时候，对于客户端不应该拥有的对象引用，如果那个字段包含了这样的对象引用，就必须做保护性拷贝，这是非常重要的。 因此，对于每个可序列化的不可变类，如果它包含了私有的可变字段，那么在它的 readObject 方法中，必须要对这些字段进行保护性拷贝。下面的这些 readObject 方法可以确保 Period 类的约束条件不会遭到破坏，以保持它的不可变性：

// readObject method with defensive copying and validity checking
private void readObject(ObjectInputStream s)
            throws IOException, ClassNotFoundException {
    s.defaultReadObject();
    // Defensively copy our mutable components
    start = new Date(start.getTime());
    end = new Date(end.getTime());
    // Check that our invariants are satisfied
    if (start.compareTo(end) > 0)
    throw new InvalidObjectException(start +" after "+ end);
}

注意，保护性拷贝是在有效性检查之前进行的。我们没有使用 Date 的 clone 方法来执行保护性拷贝机制。这两个细节对于保护 Period 类免受攻击是必要的（详见 50 条）。同时也注意到，对于 final 字段，保护性字段是不可能的。为了使用 readObject 方法，我们必须要将 start 和 end 字段声明成为非 final 的。很遗憾的是，这还算是相对比较好的做法。有了这新的 readObject 方法，并且取消了 start 和 end 的 final 修饰符之后，MutablePeriod 类将不再有效。此时，上面的攻击程序会产生如下输出：

Wed Nov 22 00:23:41 PST 2017 - Wed Nov 22 00:23:41 PST 2017
Wed Nov 22 00:23:41 PST 2017 - Wed Nov 22 00:23:41 PST 2017

有一个简单的「石蕊」测试，可以用来确定默认的 readObject 方法是否可以被接受。测试方法：增加一个公有的构造器，其参数对应于该对象中每个非 transient 的字段，并且无论参数的值是什么，都是不进行检查就可以保存到相应的字段中。对于这样的做法，你是否会感到很舒适？如果你对这个问题的回答是否定的，就必须提供一个显式的 readObject 方法，并且它必须执行构造器所要求的所有有效性检查和保护性拷贝。另一种方法是，可以使用序列化代理模式（serialization proxy pattern），详见第 90 条。强烈建议使用这个模式，因为它分担了安全反序列化的部门工作。

对于非 final 的可序列化的类，在 readObject 方法和构造器之间还有其他类似的地方。与构造器一样，readObject 方法不可以调用可被覆盖的方法，无论是直接调用还是间接调用都不可以（详见 19 条）。如果违反了这条规则，并且覆盖了该方法，被覆盖的方法将在子类的状态被反序列化之前先运行。这个程序很可能会失败[Bloch05, Puzzle 91]。

总而言之，在编写 readObject 方法的时候，都要这样想：你正在编写一个公有的构造器，无论给它传递什么样的字节流，它都必须产生一个有效的实例。不要假设这个字节流一定代表着一个真正被序列化的实例。虽然在本条目的例子中，类使用了默认的序列化形式，但是所有讨论到的有可能发生的问题也同样适用于自定义序列化形式的类。下面以摘要的形式给出一些指导方针，有助于编写出更健壮的 readObject 方法。

• 类中的对象引用字段必须保持为私有属性，要保护性的拷贝这些字段中的每个对象。不可变类中的可变组件就属于这一类别
• 对于任何约束条件，如果检查失败就抛出一个 InvalidObjectException 异常。这些检查动作应该跟在所有的保护性拷贝之后。
• 如果整个对象图在被反序列化之后必须进行验证，就应该使用 ObjectInputValidation 接口（本书没有讨论）。
• 无论是直接方法还是间接方法，都不要调用类中任何可被覆盖的方法。