JavaScript类和构造函数的安全设计
2021-01-132.9k 阅读
JavaScript 类和构造函数基础回顾
在深入探讨 JavaScript 类和构造函数的安全设计之前，我们先来回顾一下它们的基础知识。
构造函数
在 JavaScript 早期，并没有类的概念，开发者使用构造函数来创建对象实例。构造函数本质上就是一个普通函数，不过它遵循一些特定的约定。
function Person(name, age) {
this.name = name;
this.age = age;
this.sayHello = function() {
console.log(`Hello, my name is ${this.name} and I'm ${this.age} years old.`);
};
}
let person1 = new Person('Alice', 30);
person1.sayHello();
在上述代码中，Person 函数就是一个构造函数。使用 new 关键字调用构造函数时，会发生以下几件事：
- 创建一个新的空对象。
- 这个新对象的
[[Prototype]]被设置为构造函数的prototype属性。 - 构造函数内部的
this指向这个新对象。 - 执行构造函数的代码，为新对象添加属性和方法。
- 如果构造函数没有显式返回一个对象，则返回这个新创建的对象。
JavaScript 类
ES6 引入了类的语法糖，使得 JavaScript 的面向对象编程更加直观和易于理解。类本质上是基于构造函数和原型链的语法封装。
class Person {
constructor(name, age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
sayHello() {
console.log(`Hello, my name is ${this.name} and I'm ${this.age} years old.`);
}
}
let person2 = new Person('Bob', 25);
person2.sayHello();
这里的 class Person 定义了一个类，constructor 方法是类的构造函数，和传统构造函数类似。类的方法（如 sayHello）定义在类的原型上，这和通过构造函数给原型添加方法是等价的。
类和构造函数安全设计的重要性
随着 JavaScript 在前端和后端（如 Node.js）应用中的广泛使用，确保类和构造函数的安全设计变得至关重要。
防止属性污染
如果构造函数或类没有进行恰当的设计，外部代码可能会意外或恶意地修改对象的内部状态，导致程序出现不可预期的行为。
function BadlyDesignedObject() {
this.publicProp = 'public value';
this.internalProp = 'internal value';
}
let badObj = new BadlyDesignedObject();
// 外部代码可以随意修改内部属性
badObj.internalProp = 'tampered value';
在上述例子中，BadlyDesignedObject 没有对内部属性进行保护，外部代码可以轻易修改 internalProp。这可能会导致依赖该内部状态的其他功能出现错误。
避免原型链污染
原型链污染是一种严重的安全漏洞，攻击者可以通过修改原型对象来影响所有基于该原型创建的对象。
function VulnerableObject() {}
VulnerableObject.prototype.commonMethod = function() {
return 'original behavior';
};
let vulnerableObj = new VulnerableObject();
// 恶意代码
Object.prototype.newMaliciousMethod = function() {
return 'malicious behavior';
};
// 所有对象现在都有了这个恶意方法
console.log(vulnerableObj.newMaliciousMethod());
在这个例子中，恶意代码通过给 Object.prototype 添加方法，影响了所有对象，包括 VulnerableObject 的实例。
保护构造函数调用
确保构造函数只能通过 new 关键字调用是很重要的。如果构造函数被当作普通函数调用，this 的指向会发生改变，可能导致对象状态错误。
function ConstructorWithoutProtection(name) {
this.name = name;
}
// 错误调用，没有使用 new 关键字
let wrongCall = ConstructorWithoutProtection('Wrong Call');
console.log(wrongCall.name); // 这里会报错，因为 this 指向全局对象（浏览器环境中是 window）
类和构造函数的安全设计实践
保护内部状态
- 使用 WeakMap 进行属性封装 WeakMap 是一种特殊的键值对集合，其中的键必须是对象。它可以用于实现私有属性，因为 WeakMap 的键值对是无法直接访问的。
const privateData = new WeakMap();
class SecureObject {
constructor() {
let privateValue = 'private data';
privateData.set(this, { privateValue });
}
getPrivateValue() {
return privateData.get(this).privateValue;
}
}
let secureObj = new SecureObject();
// 外部无法直接访问 privateValue
// 只能通过 getPrivateValue 方法访问
console.log(secureObj.getPrivateValue());
在上述代码中，privateData 是一个 WeakMap，通过将 this 作为键，存储了对象的私有数据。外部代码无法直接访问 WeakMap 中的数据，从而实现了属性的封装。
- 使用 # 前缀（ES2022 私有字段）
ES2022 引入了私有字段，通过在字段名前添加
#前缀来表示。
class SecureObjectWithHash {
#privateValue = 'private data';
getPrivateValue() {
return this.#privateValue;
}
}
let secureObjWithHash = new SecureObjectWithHash();
// 外部无法直接访问 #privateValue
console.log(secureObjWithHash.getPrivateValue());
防止原型链污染
- 冻结原型
可以使用
Object.freeze方法冻结对象的原型，防止在运行时对原型进行修改。
function SecureConstructor() {}
SecureConstructor.prototype.secureMethod = function() {
return'secure behavior';
};
// 冻结原型
Object.freeze(SecureConstructor.prototype);
let secureInstance = new SecureConstructor();
// 尝试添加新方法会失败，不会抛出错误但也不会生效
secureInstance.__proto__.newMethod = function() {
return 'new method';
};
console.log(secureInstance.newMethod()); // undefined
- 使用 Object.seal
Object.seal方法可以阻止新属性的添加，并将所有现有属性标记为不可配置，但属性值仍然可以修改。
function AnotherSecureConstructor() {}
AnotherSecureConstructor.prototype.anotherSecureMethod = function() {
return 'another secure behavior';
};
// 密封原型
Object.seal(AnotherSecureConstructor.prototype);
let anotherSecureInstance = new AnotherSecureConstructor();
// 尝试添加新方法会失败
anotherSecureInstance.__proto__.newMethod = function() {
return 'new method';
};
console.log(anotherSecureInstance.newMethod()); // undefined
// 现有方法属性值仍可修改
AnotherSecureConstructor.prototype.anotherSecureMethod = function() {
return'modified behavior';
};
console.log(anotherSecureInstance.anotherSecureMethod());
确保构造函数正确调用
- 在构造函数内部检查
this构造函数内部可以通过检查this的类型来确保是通过new关键字调用的。
function CorrectCallConstructor(name) {
if (!(this instanceof CorrectCallConstructor)) {
throw new Error('Constructor must be called with new');
}
this.name = name;
}
// 正确调用
let correctCall = new CorrectCallConstructor('Correct Name');
// 错误调用会抛出错误
// let wrongCall = CorrectCallConstructor('Wrong Name');
- 使用辅助函数确保正确调用 可以创建一个辅助函数来确保构造函数的正确调用。
function ensureNew(constructor) {
return function(...args) {
if (!(this instanceof constructor)) {
return new constructor(...args);
}
constructor.apply(this, args);
};
}
function EnsuredConstructor(name) {
this.name = name;
}
let EnsuredConstructorWithCheck = ensureNew(EnsuredConstructor);
// 可以正确调用，即使不使用 new 关键字
let ensuredInstance = EnsuredConstructorWithCheck('Ensured Name');
继承中的安全设计
安全的继承实现
在 JavaScript 中，类的继承通过 extends 关键字实现。在继承过程中，也需要注意安全设计。
- 调用 super()
在子类的构造函数中，必须调用
super()来初始化父类的构造函数，否则this在子类构造函数中无法正确使用。
class Animal {
constructor(name) {
this.name = name;
}
}
class Dog extends Animal {
constructor(name, breed) {
// 必须先调用 super()
super(name);
this.breed = breed;
}
}
let myDog = new Dog('Buddy', 'Golden Retriever');
- 防止重写不可重写的方法 如果父类有一些方法是不希望被子类重写的，可以在父类中进行一些保护措施。
class ParentClass {
constructor() {
// 创建一个不可配置的方法
Object.defineProperty(this, 'protectedMethod', {
value: function() {
return 'protected behavior';
},
writable: false,
configurable: false
});
}
}
class ChildClass extends ParentClass {
constructor() {
super();
// 尝试重写 protectedMethod 不会生效
this.protectedMethod = function() {
return 'new behavior';
};
}
}
let childInstance = new ChildClass();
console.log(childInstance.protectedMethod());
避免继承中的原型链污染
和普通对象一样，继承链中的原型也可能受到污染。
- 冻结继承链上的原型 可以在定义子类后，对其原型进行冻结。
class BaseClass {
baseMethod() {
return 'base behavior';
}
}
class SubClass extends BaseClass {
subMethod() {
return'sub behavior';
}
}
// 冻结子类原型
Object.freeze(SubClass.prototype);
let subInstance = new SubClass();
// 尝试添加新方法到子类原型会失败
subInstance.__proto__.newMethod = function() {
return 'new method';
};
console.log(subInstance.newMethod()); // undefined
应用场景中的安全设计考虑
前端应用中的类和构造函数安全
- 防止 XSS 攻击相关的安全设计 在前端，用户输入可能会导致跨站脚本（XSS）攻击。当类或构造函数处理用户输入时，需要进行严格的输入验证和转义。
class UserInputProcessor {
constructor(input) {
// 假设这是一个简单的输入验证，实际应用中应更复杂
if (!input.match(/^[a-zA-Z0-9 ]+$/)) {
throw new Error('Invalid input');
}
this.sanitizedInput = input.replace(/[<>]/g, function(match) {
return { '<': '<', '>': '>' }[match];
});
}
displayInput() {
let div = document.createElement('div');
div.innerHTML = this.sanitizedInput;
document.body.appendChild(div);
}
}
let userInput = 'test <script>alert("XSS")</script>';
try {
let processor = new UserInputProcessor(userInput);
processor.displayInput();
} catch (error) {
console.error(error.message);
}
在上述代码中，UserInputProcessor 类对用户输入进行了验证和转义，防止恶意脚本被注入到 DOM 中。
- 数据绑定和模板渲染中的安全 在使用数据绑定和模板渲染库时，如 React 或 Vue.js，类和构造函数处理的数据也需要进行安全处理。
class DataForTemplate {
constructor(data) {
// 假设 data 是一个对象，对其中的字符串值进行转义
for (let key in data) {
if (typeof data[key] ==='string') {
data[key] = data[key].replace(/[&<>"']/g, function(match) {
return {
'&': '&',
'<': '<',
'>': '>',
'"': '"',
"'": '''
}[match];
});
}
}
this.safeData = data;
}
}
let templateData = { message: 'test <script>alert("XSS")</script>' };
let safeData = new DataForTemplate(templateData).safeData;
// 在模板中使用 safeData 可以防止 XSS 攻击
后端 Node.js 应用中的类和构造函数安全
- 防止注入攻击 在 Node.js 中，处理数据库查询或命令行参数时，类和构造函数需要防止注入攻击。
const mysql = require('mysql');
class DatabaseQuery {
constructor(query, values) {
// 假设 values 是一个数组，对查询进行参数化处理
this.connection = mysql.createConnection({
host: 'localhost',
user: 'root',
password: 'password',
database: 'test'
});
this.query = this.connection.format(query, values);
}
execute() {
return new Promise((resolve, reject) => {
this.connection.query(this.query, (error, results, fields) => {
if (error) {
reject(error);
} else {
resolve(results);
}
this.connection.end();
});
});
}
}
let query = 'SELECT * FROM users WHERE username =? AND password =?';
let values = ['admin', 'password123'];
let databaseQuery = new DatabaseQuery(query, values);
databaseQuery.execute().then(results => {
console.log(results);
}).catch(error => {
console.error(error);
});
在上述代码中，DatabaseQuery 类对数据库查询进行了参数化处理，防止 SQL 注入攻击。
- 进程间通信安全 在 Node.js 中，如果使用进程间通信（IPC），类和构造函数传递的数据需要进行安全验证。
const { fork } = require('child_process');
class IPCDataSender {
constructor(data) {
// 假设 data 是一个对象，验证其属性
if (!data.hasOwnProperty('message') || typeof data.message!=='string') {
throw new Error('Invalid data');
}
this.safeData = data;
}
sendToChild() {
let child = fork('child.js');
child.send(this.safeData);
child.on('message', (message) => {
console.log('Received from child:', message);
});
child.on('close', () => {
console.log('Child process closed');
});
}
}
let dataToSend = { message: 'Hello from parent' };
let sender = new IPCDataSender(dataToSend);
sender.sendToChild();
在这个例子中，IPCDataSender 类对要发送到子进程的数据进行了验证，确保数据的安全性。
总结安全设计要点及最佳实践
- 属性封装：使用 WeakMap 或 ES2022 的
#前缀来保护对象的内部状态，防止外部直接访问和修改。 - 原型保护：通过
Object.freeze或Object.seal来防止原型链被污染，确保对象的行为不会被意外改变。 - 构造函数调用保护：在构造函数内部检查
this或者使用辅助函数来确保构造函数只能通过new关键字调用。 - 继承安全：在子类构造函数中正确调用
super()，并对继承链上的原型进行必要的保护，防止重写不应重写的方法。 - 应用场景特定安全：在前端要防止 XSS 攻击，在后端要防止注入攻击等，对输入数据进行严格的验证和处理。
通过遵循这些安全设计要点和最佳实践，可以有效地提高 JavaScript 类和构造函数的安全性，减少潜在的安全漏洞。无论是开发小型的前端应用还是大型的后端服务，安全始终是至关重要的。在实际开发中，应根据具体的应用场景和需求，综合运用这些安全设计方法，确保代码的健壮性和安全性。