构建一个安全的 JavaScript 沙箱

Sandbox for Addies Birthday!! from //homesteadroots.blogspot.com/2010/07/sandbox-for-addies-birthday-could-also.html

在 Node.js 中有一个模块叫做 VM，它提供了几个 API，允许代码在 V8 虚拟机上下文中运行，如：

const vm = require('vm');
const sandbox = { a: 1, b: 2 };
const script = new vm.Script('a + b');
const context = new vm.createContext(sandbox);
script.runInContext(context);

vm.Script 中的代码是预编译好的，通过 vm.createContext 将代码加载到一个上下文环境中，置入沙箱（sandbox），然后通过 script.runInContext 执行代码，整个操作都在封闭的 VM 中进行。这是 Node.js 提供给我们的便捷功能，那么，在浏览器环境中呢？是否也能做到将代码运行在沙箱中？本文带着大家来探索一番。

代码编译工具

邪恶的 eval

eval 函数可以将一个 Javascript 字符串视作代码片段执行，不过它存在诸多问题，如调试困难、性能问题等，并且它在运行时可以访问闭包环境和全局作用域，存在代码注入的安全风险，作为沙箱，这也是我们不期望看到的。eval 虽然好用，但是经常被滥用，在这里我们不多讨论它。

new Function

Function 构造函数会创建一个新的函数对象，它可以作为 eval 的替代品:

fn = new Function(...args, 'functionBody');

返回的 fn 是一个定义好的函数，最后一个参数为函数体。它和 eval 不太一样：

fn 是一段编译好的代码，可以直接执行，而 eval 需要编译一次
fn 没有对所在闭包的作用域访问权限，不过它依然能够访问全局作用域

如何阻止它访问全局作用域呢？

`with` 关键词

with 是阻止程序访问上一级作用域的一道防火墙：

function compileCode(code) {
  code = 'with (sandbox) {' + code + '}';
  return new Function('sandbox', code);
}

如上代码，code 被执行时，首先会寻找 sandbox 中的变量，如果不存在，会往上追溯 global 对象，虽然有一道防火墙，但是依然不能阻止 fn 访问全局作用域。

似乎在 ECMAScript 5 中掌握的知识已经不足以解决 code 逃逸沙箱的问题了，此时我们可以把焦点放在 ES6 提供的新特性上。

ES6 Proxy

ES6 中提供了一个 Proxy 函数，它是访问对象前的一个拦截器，下面举一个简单的栗子：

const p = new Proxy({}, {
  get(target, key) {
    if(key === 'a') {
      return 1;
    }
    Reflect.get(target, key);
  }
});
p.a // 1
p.s // undefined

代码中，Proxy 给 {} 设置了属性访问拦截器，倘若访问的属性为 a 则返回 1，否则走正常程序。

这里我们可以使用 proxy 对访问做拦截处理，sandbox 本不存在的属性会追溯到全局变量上访问，此时我们可以欺骗程序，告诉它这个「不存在的属性」是存在的，于是有了下面的代码：

function compileCode(code) {
  code = 'with (sandbox) {' + code + '}';
  const fn = new Function('sandbox', code);
  return (sandbox) => {
    const proxy = new Proxy(sandbox, {
      has(target, key) {
        return true; // 欺骗，告知属性存在
      }
    });
    return fn(proxy);
  }
}

似乎这么做就可以了，但既然用到了 ES6 的特性，我们便不能忽略 ES6 中一个可以控制 with 关键词行为的变量。

Symbol.unscopables

Symbol 是 JS 的第七种数据类型，它能够产生一个唯一的值，同时也具备一些内建属性，这些属性可以用来进行元编程（meta programming），即对语言本身编程，影响语言行为。其中一个内建属性 Symbol.unscopables，通过它可以影响 with 的行为。

const foo = () => 'global';
class A {
  foo() { return 'clourse'; }
  get [Symbol.unscopables]() {
    return {
      foo: true // 不允许访问对象的 foo，直接到上层
    }
  }
}
with(A.prototype) {
  foo(); // 'global'
}

上面对 A 设置做了 Symbol.unscopables 的设定，声明 foo 属性在 A 上是不存在的，从而使得代码从 with 中逃逸。对此，我们需要对它做一层加固：

function compileCode(code) {
  code = 'with (sandbox) {' + code + '}';
  const fn = new Function('sandbox', code);
  return (sandbox) => {
    const proxy = new Proxy(sandbox, {
      has(target, key) {
        return true; // 欺骗，告知属性存在
      }
      get(target, key, receiver) {
        // 加固，防止逃逸
        if (key === Symbol.unscopables) {
          return undefined; 
        }
        Reflect.get(target, key, receiver);
      }
    });
    return fn(proxy);
  }
}

存在的漏洞

不过，这里还存在两个逻辑漏洞：

code 中可以提前关闭 sandbox 的 with 语境，如 '} alert(this); {'；
code 中可以使用 eval 和 new Function 直接逃逸

对于第一个问题，我们可以通过堆栈深度检测：

let stack = 0;
for (let char of code) {
  if (char === '{') {
    stack++;
  } else if (char === '}') {
    if (stack === 0) {
      throw new Error('Syntax Error.');
    } else {
      stack--;
    }
  }
}

事实上，这样做依然不严谨，比如代码注释中出现花括号问题，如 /*{*/'} alert(this); {'/*}*/；而对于第二个问题，暂时还没有什么好的办法，尤其是 Function，它可以通过很多方式构造出来：

(function(){}).constructor("alert(this)")();
/2/.constructor.constructor("alert(this)")();

最后

灵活是 Javascript 这门语言的特性，也是它难以被掌控的主要原因，这点可以从文中各种沙箱逃逸方式就能看出。ES6 提供了很多新的特性，本文以沙箱为切入点，带着大家学习了几个函数和属性，希望读者有些收获。

本文没有得到一个完美的答案，但是这个问题依然值得思考和研究。

有一个比较不错的思路是，通过 iframe 执行代码，执行的结果通过 postMessage 函数通讯传输给操作者。并且 iframe 还提供了很多可供设置的安全参数，如 allow-scripts, allow-forms, allow-same-origin, allow-top-navigation 等等，方便我们对沙箱做安全控制。

代码编译工具

with 关键词

ES6 Proxy

Symbol.unscopables

存在的漏洞

最后

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`with` 关键词