Java Virtual Machine(Obfuscation and Java)

What it is all about?
Идеология Java
Classfile
Константный пул
Структура и идеология машины
Идеология системы команд байт-кода
Обфускация и Java
Q&A

Java Technology
(Введение)
Java предложена фирмой SUN Microsystems
1991 г. James Gosling – язык Oak
1995 г. Изменение названия на JAVA и выпуск первой реализации - JDK 1.0
1998 г. Платформа Java 2 ( SE, EE, ME)
Java код:
Переносим
Динамичен
Предсказуем
Объектно-ориентированан

What is this all for?
H.JAR
DESKTOP
iPAQ
PALM
SMARTPHONE
CELLPHONE
EMBEDDED
MEDICAL SYSTEM
WEB SERVER
SMART HOUSE
VM

Путь кода в JAVA
b.java
b.java
a.java
JAR
(jar)
ZIP
b. class
b. class
a.class
Compiler
(other)
e.other
e.class
f.png
g.txt
Manifest.mf
Compiler
(javac)
H.JAR
External
Verifier
Obfuscator

OOP (JIC)
Moveable
SetPosition()
ValidatePos()
ValidatePos()
Figure
Draw()
SetColor()
ValidatePos()
2DPoint Pos

CLASS FILE

Classfile structure
(идеалогия)
Программные компоненты Java распространяются в виде набора classfile-ов (или их архивов JAR)
Наследование структуры JAVA
Инкапсуляция
Полная платформонезависимость
Позднее связывание
Динамическая загрузка программных компонентов

Classfile structure
(метафора)
Каждый classfile – представляет данные одного класса или интерфейса
Он не обязан содержать никаких данных о символическом представлении своего класса или интерфейса
Classfile – это полностью стандартизированный поток байт (big-endian)
До критического момента classfile – это просто данные
Classfile
JAVA

Classfile structure
(что содержит)
Пул констант
Тип класса (доступ, наследование итп)
Ссылку на класс-предок (суперкласс)
Набор поддерживаемых интерфейсов
Описания полей
Атрибуты полей
Описания методов
Атрибуты методов
Описания атрибутов

Classfile structure
(константный пул)
Набор записей позволяющих разрешать ссылки при связывании и выносить констнты из кода
Экономит место объединяя одинаковые константы
Хранит
Константы (int, float, long, double, строки UTF8)
Ссылки на символические названия внешних объектов (методов, функций, классов)
Максимальный размер констпула 2^16
Константный пул разрешают в процессе исполнения

Пример
CONSTANT_Methodref_info
CONSTANT_Class_info
COCONSTANT_NameAndType_info
CONSTANT_Utf8_info

Attributes
SourceFile - описание исходника
ConstantValue – описание константы
Code –описание кода
Exceptions – список исключений кидаемых методом
InnerClasses – список внутрених классов из других пакетов
Synthetic – отметка о том что член класса отсутствовал в исходнике
LineNumberTable – список ссылок на номера строк
LocalVariableTable – список имен локальных переменных
Deprecated – отметка о том что член или класс вытеснен (перегружен)

Methods and attributes
method_info
{
u2 access_flags;
u2 name_index;
u2 descriptor_index;
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
attribute_info
{
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u1 info[attribute_length];
}
Code_attribute
{
u2 attribute_name_index;
u4 attribute_length;
u2 max_stack;
u2 max_locals;
u4 code_length;
u1 code[code_length];
u2 exception_table_length;
{
u2 start_pc;
u2 end_pc;
u2 handler_pc;
u2 catch_type;
} exception_table[exception_table_length];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}

JVM

Спецификация JVM
В всей полноте описывает «что?»
Не описывает «как?»

JVM Subsystems
Исполняет
Собирает мусор
Ищет узкие места
Ведет статическую предпроверку

JVM
(структура JAVA машины)
Многопоточность
Поддержка исключений
Модель абстрактной памяти построенной на ссылках на объекты
Автоматическая сборка мусора
Строгая типизированость предполагается

JVM
(структура JAVA машины)
JVM – абстактная стековая машина с локальными переменными
Каждый поток в JVM имеет свой стек «вызов» заполняемый фреймами
JVM оперирует с:
Стеком операндов (текушие подсчеты)
Локальными переменными + параметрами
Статическими переменными

JVM
Thread 1
Thread 2
JVM Op Stack
Local Variables
Parameters
Frame3
Runtime constpool

MEMORY
HEAP
Thread 1
JVM
Thread 2
FRAME2
ALU
FRAME2
FRAME1
FRAME1
FRAME STACK (call stack)
JVM Op Stack
FRAME1

BYTE code
(Концепции)
Байткоды имеют опкод в 8 бит и расширяются байтово
Байткоды имеют структуру кеширующю пространство
Есть свободные байткоды
Есть сложные и простые байткоды (IS неоднороден)
Со всеми вытекающими
Машина работает с данными размером 8, 32, 64 бита

BYTE code
(Типы данных)
byte - 8-bit знаковое целое
short - 16-bit знаковое целое
int - 32-bit знаковое целое
long - 64-bit знаковое целое
char - 16-bit без знаковое для представления UNICODE
float
double

BYTE code
(типы)
Работа с константами
Push байт-коды
Сохранение и загрузка локальных переменных
Pop байт-коды и работа со стеком
Арифметические операции
Операции сравнения и условных переходов, операции вызовов, операции перехода по таблице
Операция безусловного перехода
Операции загрузки статических и динамических полей
Создания новых объектов, массивов, проверка приведения типов
Броски исключений
Захват и освобождение мониторов
Быстрая проверка на ноль
Длинные переходы и длинные загрузки

Size reduction
iconst_m1
iconst_n
n = if (x < 9 && x > 3) then x – 3 else OTHER_OPCODE
push (byte)n
push (byte)-1
bipush
sipush
push x
push x
ldc
ldc_w
push CONST_POOL[x]
push CONST_POOL[x]

Vierifier
invoke virtual
Метод ДОЛЖЕН БЫТЬ этого класса или класса предка.
А кто проверит?
verifier
В runtime

JIT
Pros vs Cons
Time – 2x-40x faster
Memory Overhead – 5x-10x
Compilation
JIT Just-In-Time
AOT Ahead-Of-Time
HI Hotspot Implementations

Garbage collection
(общие мысли)
Мусор в Америке – федеральная собственность
А некоторые считают – это для склеротиков
Нет нужды явно освобождать память... машина сделает это сама
Представьте себе сервер и утечку памяти в нем...
Если воспринимать исключения как необходимость, надо как необходимость воспринимать и сборку мусора

Obfuscation

Obfuscation and Java
Pros
Она на самом деле необходима
Java машина очень распростанена
Обфускация экономит место
Cons
Reflection может работать неверно
Идеалогия Java против обфускации

Decompilers
Goto
Бывает класс «for» и «synchronized» в байт-коде но не бывает таких классов в Java
Что навсегда потеряно, того уж не вернешь. Старые имена и связи не восстановить, если они уничтожены

Decompilers
int tmp;
tmp = a;
a = b;
b = tmp;
iload_0
istore_2
iload_1
istore_0
iload_2
istore_1
iload_0
iload_1
istore_0
istore_1
b = a
a = b
Оптимизатор
А бывает они даже разваливаются….

Obfuscation - Names and profiles
(Retroguard)
GNU GPL
Скриптовый

Names and profiles
(JODE)
GNU GPL
Переименование классов, методов и полей
Удаление отладочной информации
Удаление «мертвого» кода (классов, методов, полей)
Оптимизация выделения локальных переменных
Есть декомпилятор

Names and profiles
(SandMark)
Работа Аризонского университета – выполняет watermarking, tamper-proofing и code obfuscation
Основан на алгоритмах by Venkatesan, Collberg, Stern, and others

Names and profiles
(DashO)
Commercial
Sun’s choice
Features
Package/Class/Method/Field renaming using our patented Overload-Induction(tm) renaming system
Unused Class/Method/Field and constant pool entry removal
Advanced Control Flow Obfuscation
String Encryption
Class and method level optimization to improve JIT performance

Names and profiles

Where is more information available?
Исчерпывающая информация о Java машине содержится в спецификации SUN и больше мало где:
http://sunsite.nstu.ru/java-stuff/vmspec/
Информация о статистике и classfile
ftp://ftp.cs.arizona.edu/reports/2004/TR04-11.pdf
Различные обфускаторы
http://www.retrologic.com/retroguard-docs.html
http://sandmark.cs.arizona.edu/publications.html
http://www.preemptive.com/products/dasho/Features.html

THE END
Спасибо за внимание