Node.js vm 模块沙箱：如何在一个隔离环境中执行不信任的 JavaScript 代码，并监控其行为？ - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

咳咳，各位观众老爷们，晚上好！我是今晚的主讲人，人称“代码界的包青天”，专门负责处理各种“疑难杂症”的代码问题。今天咱们要聊的，是如何在 Node.js 里搞一个“楚河汉界”，把那些来路不明、行为诡异的 JavaScript 代码关进“小黑屋”，既能让它们跑起来，又不能让它们乱来。这就是 Node.js 的 vm 模块，一个能让你在隔离环境中执行不信任代码的利器。

第一幕：vm 模块登场——“隔离审查，确保安全”

想象一下，你正在开发一个在线代码编辑器，允许用户上传并运行 JavaScript 代码。这听起来很酷，但同时也潜藏着巨大的风险。用户上传的代码可能包含恶意代码，例如：

读取服务器上的敏感文件。
发起网络请求，攻击其他服务器。
无限循环，消耗服务器资源。

这些恶意行为可能会导致你的服务器瘫痪，数据泄露，甚至面临法律诉讼。因此，你需要在运行用户代码之前，对其进行“隔离审查”，确保其不会对你的系统造成损害。vm 模块就是你的“隔离审查官”。

vm 模块提供了一种在 V8 虚拟机中运行 JavaScript 代码的方式，每个虚拟机实例都拥有自己的全局上下文，与主进程相互隔离。这意味着，在 vm 中运行的代码无法直接访问主进程的变量、函数和文件系统，从而有效防止恶意代码对系统造成损害。

第二幕：vm.runInThisContext() ——“本地执行，风险自担”

这是 vm 模块最简单粗暴的方式。它会在当前的全局上下文中执行代码。听起来有点吓人？没错，所以一般不推荐使用。

const vm = require('vm');

const code = 'global.message = "Hello from vm!";';

vm.runInThisContext(code);

console.log(global.message); // 输出: Hello from vm!

看到没？code 里的 global.message 直接污染了我们的全局变量。这要是恶意代码，可就惨了。所以，除非你对自己足够自信，否则尽量别用这种方式。

第三幕：vm.createContext() 和 vm.runInContext() —— “专属牢笼，安全可靠”

这才是 vm 模块的正确打开方式。vm.createContext() 可以创建一个新的上下文对象，你可以把这个上下文对象理解为一个独立的“牢笼”。然后，你可以使用 vm.runInContext() 在这个“牢笼”中执行代码。

const vm = require('vm');

// 创建一个上下文对象
const sandbox = {
  animal: 'cat',
  count: 2
};
vm.createContext(sandbox); // 显式沙箱化

const code = `
  animal = 'dog';
  count++;
  global.message = 'This should not leak!';
`;

vm.runInContext(code, sandbox);

console.log(sandbox.animal); // 输出: dog
console.log(sandbox.count);  // 输出: 3
console.log(global.message); // 输出: undefined (因为 global.message 没有被定义)

在这个例子中，我们创建了一个名为 sandbox 的上下文对象，并在其中定义了 animal 和 count 两个变量。然后，我们使用 vm.runInContext() 在 sandbox 中执行了一段代码，这段代码修改了 animal 和 count 的值，并尝试定义了一个全局变量 global.message。

但是，由于这段代码是在 sandbox 中执行的，所以它无法访问主进程的全局上下文，也无法修改主进程的全局变量。因此，global.message 并没有被定义，console.log(global.message) 输出 undefined。

第四幕：vm.compileFunction() —— “预编译，速度更快”

如果你需要多次执行同一段代码，那么可以使用 vm.compileFunction() 对代码进行预编译，从而提高执行效率。

const vm = require('vm');

const code = `
  return a + b;
`;

// 预编译代码
const add = vm.compileFunction(code, ['a', 'b']);

// 创建一个上下文对象
const sandbox = {};
vm.createContext(sandbox);

// 执行预编译的代码
const result1 = add.call(sandbox, 1, 2);
const result2 = add.call(sandbox, 3, 4);

console.log(result1); // 输出: 3
console.log(result2); // 输出: 7

vm.compileFunction() 接受两个参数：要编译的代码字符串和一个包含函数参数名称的数组。它会返回一个函数，你可以使用 call() 方法在指定的上下文中执行这个函数。

第五幕：vm.Module —— “模块化沙箱，管理更方便”

Node.js 10 引入了 vm.Module 类，它允许你在沙箱中加载和执行 ES 模块。这使得你可以更好地组织和管理你的沙箱代码。

const vm = require('vm');

// 创建一个上下文对象
const context = vm.createContext({
  console: console, // 允许沙箱代码使用 console
});

async function runModule(modulePath) {
  // 创建一个新的模块实例
  const mod = new vm.Module(modulePath, { context });

  // 加载模块
  await mod.link(async (specifier, referencingModule) => {
    // 简单地解决所有的 specifier
    return new vm.Module(specifier, { context });
  });

  // 运行模块
  await mod.evaluate();

  return mod.namespace;
}

// 假设你有一个名为 'my-module.js' 的模块文件
// await runModule('my-module.js');

vm.Module 的使用稍微复杂一些，你需要手动处理模块的加载和链接。但是，它提供了更强大的模块化能力，可以让你更好地控制沙箱中的代码。

第六幕：沙箱逃逸—— “魔高一尺，道高一丈”

虽然 vm 模块提供了隔离环境，但是恶意代码仍然有可能通过一些漏洞逃逸出沙箱，访问主进程的资源。这种行为被称为“沙箱逃逸”。

例如，早期版本的 vm 模块存在一些漏洞，允许恶意代码通过 Function.prototype.constructor 访问全局上下文。

为了防止沙箱逃逸，你需要采取以下措施：

保持 Node.js 版本更新： Node.js 官方会定期修复 vm 模块的漏洞，所以及时更新版本非常重要。
限制沙箱中的 API： 尽量减少沙箱中可用的 API，例如禁用 require 函数，限制 console 对象的使用。
使用更安全的沙箱环境： 如果你需要更高的安全性，可以考虑使用第三方沙箱库，例如 isolated-vm。

第七幕：监控沙箱行为—— “实时监控，及时止损”

仅仅隔离代码还不够，你还需要监控沙箱的行为，及时发现并阻止恶意代码。

你可以通过以下方式监控沙箱行为：

限制资源使用： 使用 resourceLimits 选项限制沙箱代码的 CPU 和内存使用量。
监控网络请求： 监控沙箱代码发起的网络请求，阻止其访问敏感服务器。
记录日志： 记录沙箱代码的执行日志，以便分析和排查问题。

第八幕：代码示例—— “理论结合实践，效果更佳”

下面是一个完整的代码示例，演示了如何使用 vm 模块创建一个安全的沙箱环境，并监控其行为：

const vm = require('vm');

function createSandbox(code, context = {}) {
  // 创建一个上下文对象
  vm.createContext(context);

  // 设置资源限制
  const options = {
    timeout: 1000, // 1秒超时
    displayErrors: true,
    // resourceLimits: {  // 限制资源使用
    //   maxOldGenerationSizeMb: 128,
    //   maxYoungGenerationSizeMb: 16,
    // },
  };

  try {
    // 在沙箱中执行代码
    vm.runInContext(code, context, options);
    return context;
  } catch (error) {
    console.error('代码执行出错:', error);
    return null;
  }
}

// 要执行的代码
const code = `
  // 尝试访问全局变量
  // global.evil = 'I am evil!'; // 被隔离，无法修改外部 global

  // 尝试发起网络请求 (需要额外处理，这里只是示例)
  // const https = require('https'); // 在沙箱中禁用 require
  // https.get('https://www.example.com', (res) => {
  //   console.log('statusCode:', res.statusCode);
  // });

  // 模拟 CPU 密集型操作
  let i = 0;
  while (i < 1000000) {
    i++;
  }

  // 修改沙箱内的变量
  result = 'Success!';
`;

// 创建一个沙箱
const sandbox = { result: 'Initial value' };
const result = createSandbox(code, sandbox);

if (result) {
  console.log('沙箱执行结果:', result);
  // console.log('外部 global 是否被修改:', global.evil); // 应该输出 undefined
}

第九幕：总结与展望—— “安全无小事，防患于未然”

vm 模块是 Node.js 中一个强大的工具，可以让你在隔离环境中执行不信任的 JavaScript 代码。但是，使用 vm 模块需要谨慎，你需要充分了解其安全风险，并采取相应的措施来防止沙箱逃逸。

记住，安全无小事，防患于未然。只有做好充分的安全措施，才能确保你的系统安全可靠。

一些额外的小技巧和注意事项：

技巧/注意事项	描述	示例代码
禁用 `require`	除非绝对必要，否则尽量禁用沙箱中的 `require` 函数，防止其加载恶意模块。	在 `createContext` 的时候，不要传递 `require` 函数到沙箱里。
限制 `console`	限制沙箱中 `console` 对象的使用，防止其输出敏感信息。	可以创建一个自定义的 `console` 对象，只允许输出特定级别的日志。
使用 `Proxy`	使用 `Proxy` 对象可以更精细地控制沙箱中变量的访问权限。	`javascript const sandbox = new Proxy({}, { get: function(target, prop) { // 自定义访问规则 } });`
定期审计	定期审计你的沙箱代码和配置，及时发现并修复安全漏洞。	使用静态代码分析工具可以帮助你发现潜在的安全问题。
考虑使用 `worker_threads`	对于 CPU 密集型任务，可以考虑使用 `worker_threads` 模块，它可以将任务分配到独立的线程中执行，避免阻塞主线程。虽然不是专门用于沙箱化，但可以提供额外的隔离。	`javascript const { Worker } = require('worker_threads'); const worker = new Worker('./worker.js'); worker.postMessage({ task: 'heavy computation' });`

好了，今天的讲座就到这里。希望大家能够掌握 vm 模块的使用技巧，打造一个安全可靠的 Node.js 应用。记住，安全之路，永无止境！下次有机会再见！

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