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Java 原生实现代码沙箱之Java 程序安全控制（OJ判题系统第2期）——设计思路、实现步骤、代码实现

news 来源：原创 2025/5/11 10:18:10

在看这一期之前，需要先看上一期的文章：

Java 原生实现代码沙箱（OJ判题系统第1期）——设计思路、实现步骤、代码实现-CSDN博客

Java 程序可能出现的异常情况

1、执行超时

占用时间资源，导致程序卡死，不释放资源：

/*** 无限睡眠（阻塞程序执行）*/
public class SleepError {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {long ONE_HOUR = 60 * 60 * 1000L;Thread.sleep(ONE_HOUR);System.out.println("睡完了");}
}

2、占用内存

/*** 无限占用空间（浪费系统内存）*/
public class MemoryError {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<byte[]> bytes = new ArrayList<>();while (true) {bytes.add(new byte[10000]);}}
}

3、读文件，文件信息泄露

/*** 读取服务器文件（文件信息泄露）*/
public class ReadFileError {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {String userDir = System.getProperty("user.dir");String filePath = userDir + File.separator + "src/main/resources/application.yml";List<String> allLines = Files.readAllLines(Paths.get(filePath));System.out.println(String.join("\n", allLines));}
}

4、写文件，越权植入木马

/*** 向服务器写文件（植入危险程序）*/
public class WriteFileError {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {String userDir = System.getProperty("user.dir");String filePath = userDir + File.separator + "src/main/resources/木马程序.bat";String errorProgram = "java -version 2>&1";Files.write(Paths.get(filePath), Arrays.asList(errorProgram));System.out.println("写木马成功，你完了哈哈");}
}

5、运行程序

/*** 运行其他程序（比如危险木马）*/
public class RunFileError {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {String userDir = System.getProperty("user.dir");String filePath = userDir + File.separator + "src/main/resources/木马程序.bat";Process process = Runtime.getRuntime().exec(filePath);process.waitFor();// 分批获取进程的正常输出BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(process.getInputStream()));// 逐行读取String compileOutputLine;while ((compileOutputLine = bufferedReader.readLine()) != null) {System.out.println(compileOutputLine);}System.out.println("执行异常程序成功");}
}

Java 程序安全控制

1、超时控制

private static final long TIME_OUT = 5000L; // 定义超时时间为5000毫秒（5秒）// 启动一个新线程进行超时控制
new Thread(() -> {try {// 让当前线程休眠TIME_OUT指定的时间Thread.sleep(TIME_OUT);// 超时后打印消息System.out.println("超时了，中断");// 终止运行中的进程runProcess.destroy();} catch (InterruptedException e) {// 如果线程在休眠期间被中断，抛出RuntimeExceptionthrow new RuntimeException(e);}
}).start(); // 启动线程

2、限制资源分配

我们不能让每个 java 进程的执行占用的 JVM 最大堆内存空间都和系统默认的一致（鱼皮的 JVM 默认最大占用 8G 内存），实际上应该更小（执行用户的题目代码也不需要这么多），比如说 256MB。在启动 Java 程序时，可以指定 JVM 的参数： -Xmx256m（最大堆空间大小）示例命令如下：

String runCmd = String.format("java -Xmx256m -Dfile.encoding=UTF-8 -cp %s Main %s", userCodeParentPath, inputArgs);

小知识 - 常用 JVM 启动参数

1. 内存相关参数：

-Xms: 设置 JVM 的初始堆内存大小。
-Xmx: 设置 JVM 的最大堆内存大小。
-Xss: 设置每个线程的栈大小。
-XX:MaxMetaspaceSize: 设置 Metaspace（元空间）的最大大小。
-XX:MaxDirectMemorySize: 设置直接内存（Direct Memory）的最大大小。

2. 垃圾回收相关参数：

-XX:+UseSerialGC: 使用串行垃圾回收器。
-XX:+UseParallelGC: 使用并行垃圾回收器。
-XX:+UseConcMarkSweepGC: 使用 CMS（并发标记清除）垃圾回收器。
-XX:+UseG1GC: 使用 G1 垃圾回收器。

3. 线程相关参数：

-XX:ParallelGCThreads: 设置并行垃圾回收使用的线程数。
-XX:ConcGCThreads: 设置并发垃圾回收使用的线程数。
-Xss 或 -XX:ThreadStackSize: 设置每个线程的栈大小。注意：-Xss 和 -XX:ThreadStackSize 是等效的。

4. JIT 编译器相关参数：

-XX:TieredCompilation: 启用分层编译模式。
-XX:TieredStopAtLevel: 设置 JIT 编译器停止编译的层次。

5. 其他资源限制参数：

-XX:MaxRAM: 设置 JVM 可以使用的最大物理内存。

说明：

-Xss 和 -XX:ThreadStackSize 都用于设置线程的栈大小，通常情况下两者是等效的。
-XX:MaxRAM 参数在较新的 JDK 版本中引入，用于自动配置 JVM 的内存使用。

3、限制代码 - 黑白名单

先初始化字典树，插入禁用词：

 private static final List<String> blackList = Arrays.asList("Files", "exec");private static final WordTree WORD_TREE;static {// 初始化字典树WORD_TREE = new WordTree();WORD_TREE.addWords(blackList);}

校验用户代码是否包含禁用词：

  //  校验代码中是否包含黑名单中的命令FoundWord foundWord = WORD_TREE.matchWord(code);if (foundWord != null) {System.out.println("包含禁止词：" + foundWord.getFoundWord());return null;}

限制权限 - Java 安全管理器

Java 安全管理器（Security Manager）是 Java 提供的保护 JVM、Java 安全的机制，可以实现更严格的资源和操作限制。

1.所有权限放开

/*** 默认安全管理器*/
public class DefaultSecurityManager extends SecurityManager {// 检查所有的权限@Overridepublic void checkPermission(Permission perm) {System.out.println("默认不做任何限制");System.out.println(perm);
//        super.checkPermission(perm);}
}

2.所有权限拒绝

/*** 禁用所有权限安全管理器*/
public class DenySecurityManager extends SecurityManager {// 检查所有的权限@Overridepublic void checkPermission(Permission perm) {throw new SecurityException("权限异常：" + perm.toString());}
}

3.限制权限

public class MySecurityManager extends SecurityManager {// 检查所有的权限@Overridepublic void checkPermission(Permission perm) {
//        super.checkPermission(perm);}// 检测程序是否可执行文件@Overridepublic void checkExec(String cmd) {throw new SecurityException("checkExec 权限异常：" + cmd);}// 检测程序是否允许读文件@Overridepublic void checkRead(String file) {System.out.println(file);if (file.contains("C:\\code\\yuoj-code-sandbox")) {return;}
//        throw new SecurityException("checkRead 权限异常：" + file);}// 检测程序是否允许写文件@Overridepublic void checkWrite(String file) {
//        throw new SecurityException("checkWrite 权限异常：" + file);}// 检测程序是否允许删除文件@Overridepublic void checkDelete(String file) {
//        throw new SecurityException("checkDelete 权限异常：" + file);}// 检测程序是否允许连接网络@Overridepublic void checkConnect(String host, int port) {
//        throw new SecurityException("checkConnect 权限异常：" + host + ":" + port);}
}

测试：

/*** 测试安全管理器*/
public class TestSecurityManager {public static void main(String[] args) {System.setSecurityManager(new MySecurityManager());FileUtil.writeString("aa", "aaa", Charset.defaultCharset());}
}

在运行java程序时，指定安全管理器的路径、安全管理器的名称：

private static final String SECURITY_MANAGER_PATH = "C:\\code\\code-sandbox\\src\\main\\resources\\security";private static final String SECURITY_MANAGER_CLASS_NAME = "MySecurityManager";String runCmd = String.format("java -Xmx256m -Dfile.encoding=UTF-8 -cp %s;%s -Djava.security.manager=%s Main %s", userCodeParentPath, SECURITY_MANAGER_PATH, SECURITY_MANAGER_CLASS_NAME, inputArgs);

至此，第二期结束，但是安全管理器有一定缺点：