Java程序的保护
java是⼀种跨平台的、解释型语⾔。java 源代码编译中间“字节码”存储于class⽂件中。class⽂件是⼀种字节码形式的中间代码，该字节码中包括了很多源代码的信息，例如变量名、⽅法名等。因此，java中间代码的反编译就变得⾮常容易。⽬前市场上有许多免费的、商⽤的反编译软件，都能够⽣成⾼质量的反编译后的源代码。所以，对开发⼈员来说，如何保护java程序就变成了⼀个⾮常重要的挑战。本⽂⾸先讨论了保护java程序的基本⽅法，然后对代码混淆问题进⾏深⼊研究，最后结合⼀个实际的应⽤程序，分析如何在实践中保护java程序。   
反编译成为保护java程序的最⼤挑战
  通常c、c++等编程语⾔开发的程序都被编译成⽬标代码，这些⽬标代码都是本机器的⼆进制可执⾏代码。通常所有的源⽂件被编译、链接成⼀个可执⾏⽂件。在这些可执⾏⽂件中，编译器删除了程序中的变量名称、⽅法名称等信息，这些信息往往是由内存地址表⽰，例如如果需要使⽤⼀个变量，往往是通过这个变量的地址来访问的。因此，反编译这些本地的⽬标代码就是⾮常困难的。
  java语⾔的出现，使得反编译变得⾮常容易⽽有效。原因如下：1.由于跨平台的需求，java的指令集⽐较简单⽽通⽤，较容易得出程序的语义信息；2.java编译器将每⼀个类编译成⼀个单独的⽂件，这也简化了反编译的⼯作；3.java 的class⽂件中，仍然保留所有的⽅法名称、变量名称，并且通过这些名称来
访问变量和⽅法，这些符号往往带有许多语义信息。由于java程序⾃⾝的特点，对于不经过处理的java 程序反编译的效果⾮常好。
  ⽬前，市场上有许多java的反编译⼯具，有免费的，也有商业使⽤的，还有的是开放源代码的。这些⼯具的反编译速度和效果都⾮常不错。好的反编译软件，能够反编译出⾮常接近源代码的程序。因此，通过反编译器，⿊客能够对这些程序进⾏更改，或者复⽤其中的程序。因此，如何保护java程序不被反编译，是⾮常重要的⼀个问题。
常⽤的保护技术
  由于java字节码的抽象级别较⾼，因此它们较容易被反编译。本节介绍了⼏种常⽤的⽅法，⽤于保护java字节码不被反编译。通常，这些⽅法不能够绝对防⽌程序被反编译，⽽是加⼤反编译的难度⽽已，因为这些⽅法都有⾃⼰的使⽤环境和弱点。
　隔离java程序
  最简单的⽅法就是让⽤户不能够访问到java class程序，这种⽅法是最根本的⽅法，具体实现有多种⽅式。例如，开发⼈员可以将关键的java class放在服务器端，客户端通过访问服务器的相关接⼝来获得服务，⽽不是直接访问class⽂件。这样⿊客就没有办法反编译class ⽂件。⽬前，通过接⼝提供服
务的标准和协议也越来越多，例如 http、web service、rpc等。但是有很多应⽤都不适合这种保护⽅式，例如对于单机运⾏的程序就⽆法隔离java程序。这种保护⽅式见图1所⽰。
图1隔离java程序⽰意图
　对class⽂件进⾏加密
  为了防⽌class⽂件被直接反编译，许多开发⼈员将⼀些关键的class⽂件进⾏加密，例如对注册码、序列号管理相关的类等。在使⽤这些被加密的类之前，程序⾸先需要对这些类进⾏解密，⽽后再将这些类装载到jvm当中。这些类的解密可以由硬件完成，也可以使⽤软件完成。
  在实现时，开发⼈员往往通过⾃定义classloader类来完成加密类的装载(注意由于安全性的原因，applet不能够⽀持⾃定义的classloader)。⾃定义的classloader⾸先到加密的类，⽽后进⾏解密，最后将解密后的类装载到jvm当中。在这种保护⽅式中，⾃定义的classloader是⾮常关键的类。由于它本⾝不是被加密的，因此它可能成为⿊客最先攻击的⽬标。如果相关的解密密钥和算法被攻克，那么被加密的类也很容易被解密。这种保护⽅式⽰意图见图2。
图2 对class⽂件进⾏加密⽰意图
　转换成本地代码
  将程序转换成本地代码也是⼀种防⽌反编译的有效⽅法。因为本地代码往往难以被反编译。开发⼈员可以选择将整个应⽤程序转换成本地代码，也可以选择关键模块转换。如果仅仅转换关键部分模块，java程序在使⽤这些模块时，需要使⽤jni技术进⾏调⽤。
  当然，在使⽤这种技术保护java程序的同时，也牺牲了java的跨平台特性。对于不同的平台，我们需要维护不同版本的本地代码，这将加重软件⽀持和维护的⼯作。不过对于⼀些关键的模块，有时这种⽅案往往是必要的。
  为了保证这些本地代码不被修改和替代，通常需要对这些代码进⾏数字签名。在使⽤这些本地代码之前，往往需要对这些本地代码进⾏认证，确保这些代码没有被⿊客更改。如果签名检查通过，则调⽤相关jni⽅法。这种保护⽅式⽰意图见图3。
　图3 转换成本地代码⽰意图
图3 转换成本地代码⽰意图
　代码混淆
代码混淆是对class⽂件进⾏重新组织和处理，使得处理后的代码与处理前代码完成相同的功能(语义)。但是混淆后的代码很难被反编译，即反编译后得出的代码是⾮常难懂、晦涩的，因此反编译⼈员很难得出程序的真正语义。从理论上来说，⿊客如果有⾜够的时间，被混淆的代码仍然可能被破解，甚⾄⽬前有些⼈正在研制反混淆的⼯具。但是从实际情况来看，由于混淆技术的多元化发展，混淆理论的成熟，经过混淆的java代码还是能够很好地防⽌反编译。下⾯我们会详细介绍混淆技术，因为混淆是⼀种保护java程序的重要技术。图4是代码混淆的⽰意图。
图4 代码混淆⽰意图
  ⼏种技术的总结
  以上⼏种技术都有不同的应⽤环境，各⾃都有⾃⼰的弱点，表1是相关特点的⽐较。
表1 不同保护技术⽐较表
混淆技术介绍
  到⽬前为⽌，对于java程序的保护，混淆技术还是最基本的保护⽅法。java混淆⼯具也⾮常多，包括商业的、免费的、开放源代码的。sun公司也提供了⾃⼰的混淆⼯具。它们⼤多都是对class⽂件进⾏混淆处理，也有少量⼯具⾸先对源代码进⾏处理，然后再对class进⾏处理，这样加⼤了混淆处理的⼒度。⽬前，商业上⽐较成功的混淆⼯具包括jproof公司的1stbarrier系列、eastridge公司的jshrink和
4thpass的sourceguard等。主要的混淆技术按照混淆⽬标可以进⾏如下分类，它们分别为符号混淆(lexical obfuscation)、数据混淆(data obfuscation)、控制混淆(control obfuscation)、预防性混淆(prevent transformation)。　
  符号混淆 
  在class中存在许多与程序执⾏本⾝⽆关的信息，例如⽅法名称、变量名称，这些符号的名称往往带有⼀定的含义。例如某个⽅法名为 
java源代码加密getkeylength()，那么这个⽅法很可能就是⽤来返回key的长度。符号混淆就是将这些信息打乱，把这些信息变成⽆任何意义的表⽰，例如将所有的变量从vairant_001开始编号；对于所有的⽅法从method
_001开始编号。这将对反编译带来⼀定的困难。对于私有函数、局部变量，通常可以改变它们的符号，⽽不影响程序的运⾏。但是对于⼀些接⼝名称、公有函数、成员变量，如果有其它外部模块需要引⽤这些符号，我们往往需要保留这些名称，否则外部模块不到这些名称的⽅法和变量。因此，多数的混淆⼯具对于符号混淆，都提供了丰富的选项，让⽤户选择是否、如何进⾏符号混淆。 
  数据混淆 数据混淆是对程序使⽤的数据进⾏混淆。混淆的⽅法也有多种，主要可以分为改变数据存储及编码(store and encode transform)、改变数据访问(access transform)。
  改变数据存储和编码可以打乱程序使⽤的数据存储⽅式。例如将⼀个有10个成员的数组，拆开为10个变量，并且打乱这些变量的名字；将⼀个两维数组转化为⼀个⼀维数组等。对于⼀些复杂的数据结构，我们将打乱它的数据结构，例如⽤多个类代替⼀个复杂的类等。   
  另外⼀种⽅式是改变数据访问。例如访问数组的下标时，我们可以进⾏⼀定的计算，图5就是⼀个例⼦。
  在实践混淆处理中，这两种⽅法通常是综合使⽤的，在打乱数据存储的同时，也打乱数据访问的⽅式。经过对数据混淆，程序的语义变得复杂了，这样增⼤了反编译的难度。
　控制混淆
  控制混淆就是对程序的控制流进⾏混淆，使得程序的控制流更加难以反编译，通常控制流的改变需要增加⼀些额外的计算和控制流，因此在性能上会给程序带来⼀定的负⾯影响。有时，需要在程序的性能和混淆程度之间进⾏权衡。控制混淆的技术最为复杂，技巧也最多。这些技术可以分为如下⼏类：
  增加混淆控制 通过增加额外的、复杂的控制流，可以将程序原来的语义隐藏起来。例如，对于按次序执⾏的两个语句a、b，我们可以增加⼀个控制条件，以决定b的执⾏。通过这种⽅式加⼤反汇编的难度。但是所有的⼲扰控制都不应该影响b的执⾏。图6就给出三种⽅式，为这个例⼦增加混淆控制。  　
图6 增加混淆控制的三种⽅式

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