`MessageDigest` / `Cipher` / `ZipFile` / `JarFile` 安全与压缩源码

概述

java.security 与 java.util.zip 看似无关，却在 JarFile 处交汇：JAR 文件本质是带清单与签名的 ZIP。安全侧，MessageDigest（哈希）、Signature（签名）、Cipher（加解密）都建立在 Provider 架构上——Provider 注册算法名到实现类的映射，getInstance 按算法名查找并反射实例化；压缩侧，Deflater / Inflater 是 zlib 的 JNI 封装，ZipFile 解析 ZIP 二进制结构。

两条链路共同的思路：JDK 框架层负责 API 与流程编排，native/SPI 层负责实际算法。本文基于 OpenJDK 21 源码拆解安全与压缩两条链路。

java.security 安全源码解析

① `MessageDigest.getInstance("SHA-256")` 的 Provider 查找

java

public static MessageDigest getInstance(String algorithm) throws NoSuchAlgorithmException {
    ...
    List<Service> services = GetInstance.getServices("MessageDigest", algorithm);   // ① 查服务
    MessageDigest md = GetInstance.getInstance(services, ...);                      // ② 实例化
    ...
}

// GetInstance 内部
static List<Service> getServices(String type, String algorithm) {
    // 遍历已安装 Provider，按算法名匹配 Service
    for (Provider provider : providers) {
        Service service = provider.getService(type, algorithm);   // ③ provider 内精确匹配
        if (service != null) services.add(service);
    }
    ...
}

getInstance("SHA-256") 语义：在所有已安装 Provider 中查找类型为 MessageDigest、算法名为 SHA-256 的 Service，返回匹配列表按 Provider 顺序排列。
Service 是 Provider 内的一个注册项：含类型、算法名、实现类名与属性；provider.getService(type, algorithm) 在 Provider 的 LinkedHashMap 缓存中查。
首个可用服务即胜出；找不到抛 NoSuchAlgorithmException。JDK 内建 SUN provider 注册了 MessageDigest.SHA-256 → sun.security.provider.SHA2。

② `MessageDigest.digest(byte[] input)` 的哈希计算

java

public byte[] digest(byte[] input) {
    update(input);                              // ① 吸收输入
    return digest();                            // ② 结算
}

public byte[] digest() {
    ...
    byte[] result = engineDigest();             // ③ 委托 SPI
    ...
    engineReset();                              // ④ 重置供复用
    return result;
}

// sun.security.provider.DigestBase（SHA2 的父类）
protected byte[] engineDigest() {
    ...
    implCompress(buffer, 0);                    // ⑤ 压缩最后一块
    ...
}

MessageDigest 是模板方法模式的骨架：update → engineUpdate 累积输入到内部缓冲（如 SHA-256 的 64 字节块），digest → engineDigest 结算。
DigestBase 负责缓冲与长度计数：块不满时补填充（SHA-2 的 0x80 填充 + 64 位长度），implCompress 是 native/核心压缩函数（每 64 字节一轮）。
digest() 后自动 engineReset，同一个 MessageDigest 实例可反复使用；digest(input) 是"单次吸收 + 结算"的便捷组合。

③ `Signature.getInstance("SHA256withRSA")` 的数字签名

java

public final void initSign(PrivateKey privateKey) throws InvalidKeyException {
    ...
    engineInitSign(privateKey);                 // ① 绑定私钥
    ...
}

public final byte[] sign() throws SignatureException {
    ...
    return engineSign();                        // ② 签名
}

// sun.security.rsa.RSASignature
protected byte[] engineSign() {
    ...
    byte[] digest = md.digest();                // ③ 内部先做 SHA-256 哈希
    byte[] encoded = RSAUtil.encodeSignature(digest, algId);  // ④ 编码为 DigestInfo
    return RSACore.rsa(encoded, privKey);       // ⑤ RSA 私钥运算
}

算法名 SHA256withRSA 是"哈希 + 签名"的组合：RSASignature 内部持有一个 MessageDigest（SHA-256），engineUpdate 喂给它，engineSign 时先出摘要。
摘要按 PKCS#1 编码成 DigestInfo（0x30 ... 结构 + OID + 摘要值），再交给 RSACore.rsa 做私钥模幂运算得到签名。
验证侧对称：initVerify(publicKey) → engineUpdate → engineVerify(sigBytes)，用公钥解密后比对 DigestInfo。

④ `Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding")` 的加密

java

Cipher c = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
c.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, gcmSpec);      // ① engineInit 初始化
byte[] ct = c.update(pt);                       // ② engineUpdate 增量处理
byte[] fin = c.doFinal();                       // ③ engineDoFinal 收尾

// com.sun.crypto.provider.AES/GCM（CipherSpi 子类）
protected void engineInit(int opmode, Key key, AlgorithmParameterSpec params, SecureRandom random) {
    ...
    gcm = new GCM(provider);                    // ④ 底层 GCM 引擎
}
protected byte[] engineDoFinal(byte[] input, int inputOffset, int inputLen) {
    ...
    return gcm.doFinal(buffer, 0, len);         // ⑤ GCM 认证加密
}

转换名 AES/GCM/NoPadding 三段式：算法 AES / 模式 GCM / 填充 NoPadding；Cipher.getInstance 解析三段并定位 CipherSpi 实现。
Cipher 是有状态引擎：ENCRYPT_MODE / DECRYPT_MODE 决定方向，init 注入密钥、参数（GCM 的 IV 与 tag 长度）与随机源。
update 处理分块数据，doFinal 完成最后一块并输出认证标签（GCM 模式下 ciphertext + tag）；AES 核心字节运算在 AESCrypt 中展开为查表实现，GCM 模式在 GCTR 计数器模式上加 GMAC 认证。

⑤ `Provider` 的安全服务注册

java

// sun.security.provider.Sun（SUN provider）
public Sun() {
    super("SUN", 1.9, "SUN (RSA, DES, ...)");
    ...
    put("MessageDigest.SHA-256", "sun.security.provider.SHA2");
    put("MessageDigest.SHA-1", "sun.security.provider.SHA");
    put("KeyFactory.RSA", "sun.security.rsa.RSAKeyFactory");
    put("Signature.SHA256withRSA", "sun.security.rsa.RSASignature$SHA256withRSA");
    put("SecureRandom.SHA1PRNG", "sun.security.provider.SecureRandom");
    ...
}

Provider.put("Type.Algorithm", "实现类") 是注册的核心 API：键是 类型.算法名，值是实现类全限定名，getInstance 据此反射创建。
属性可附加别名与限制：put("MessageDigest.SHA-256 ImplementedIn", "Software") 之类的键值对描述实现特性；put("Signature.SHA256withRSA KeySize", "1024") 可声明约束。
Service 是 Provider 内部对该条目的封装：getService(type, algorithm) 返回缓存的服务对象，service.newInstance() 经反射实例化实现类（可能带构造参数选择）。
第三方安全实现（如 Bouncy Castle）正是通过 Provider 注册 + Security.addProvider 接入 JDK 算法的。

java.util.zip 压缩源码解析

⑥ `Deflater.deflate(byte[] b, int off, int len)` 的压缩

// native（java/util/zip/Deflater.c）
JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_util_zip_Deflater_deflateBytes(JNIEnv *env, jobject this,
        jarray b, jint off, jint len, jint flush) {
    z_stream *strm = jlong_to_ptr(env->GetLongField(this, strmID));   // ① 取 zlib 流
    ...
    strm->next_in = ...; strm->avail_in = ...;
    strm->next_out = ...; strm->avail_out = ...;
    ret = deflate(strm, flush);                                        // ② zlib 压缩
    ...
    return output produced;
}

Deflater 构造时 native 层调用 deflateInit2_ 初始化 z_stream，配置压缩级别（默认 6）、窗口位数（默认 15）、内存级别与 ZLIB 封装。
deflateBytes 每次把 Java 缓冲区的输入交给 zlib 的 deflate()：输入不足返回 Z_BUF_ERROR（可用 needsInput 判断），数据已出可返回 finish 判定。
deflate() 内部实现 DEFLATE 算法：LZ77 匹配（哈希链查最近重复串）+ Huffman 编码（动态/静态码表）；setLevel / setStrategy（默认/过滤/哈夫曼）改变压缩权衡。
finished() 为 true 表示所有输入已压缩完成；压缩产物是带 ZLIB 头（2 字节 + 校验）的流格式。

⑦ `Inflater.inflate(byte[] b, int off, int len)` 的解压

// native（java/util/zip/Inflater.c）
JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_util_zip_Inflater_inflateBytes(JNIEnv *env, jobject this,
        jarray b, jint off, jint len) {
    z_stream *strm = jlong_to_ptr(...);                                // ① zlib 流
    ...
    ret = inflate(strm, Z_NO_FLUSH);                                   // ② zlib 解压
    ...
}

Inflater 构造时 inflateInit2_ 初始化 z_stream；默认期望 ZLIB 封装，nowrap = true 时用 inflateInit2(15 - 16) 接受裸 DEFLATE 流。
inflate() 逐块还原：内部维护位缓冲与 Huffman 树解码状态，输出写入 Java 缓冲区；输入耗尽返回 Z_BUF_ERROR（needsInput() 为 true）。
解压完成时 finished() 为 true，getRemaining() 给出未被消费的输入字节；InflaterInputStream 与 ZipFile 的条目读取都基于它构建。

⑧ `ZipFile(String name)` 的 ZIP 读取

java

public ZipFile(String name, Charset charset) throws IOException {
    this(new File(name), ZIP_DEFAULT_STORAGE_ORDER, charset);
    // ① 打开文件并解析中央目录
}

// 构造核心
private ZipFile(File file, int mode, Charset charset) throws IOException {
    ...
    jzfile = open(name, mode, lastModifiedTime, usemap);   // ② native 打开
    ...
    zsrc = new Source(jzfile, ch);                         // ③ 建立条目索引
    ...
}

// Source 构造：解析 End Of Central Directory
private Source(long zfile, ZipCoder zc) {
    ...
    // ④ 定位 END 记录，读取中央目录偏移与条目数
    long end = findEND();                                  // 扫描 EOCD 签名 0x06054b50
    ...
    cen = new ENDHeader(end);                              // ⑤ END 记录
    // ⑥ 读取 CEN 目录：每个 Central Directory File Header（0x02014b50）
    ...
}

ZIP 文件结构三段：每个条目前的 LOC（Local File Header，0x04034b50）+ 数据，文件尾部是 CEN（Central Directory）与 END（End of Central Directory，0x06054b50）。
findEND 从文件尾部向前扫描定位 END 记录，ENDHeader 解析出中央目录偏移与总条目数，再一次性读取整个中央目录建立偏移索引。
条目元信息（压缩方式、CRC、压缩/原始大小、名字）来自 CEN 记录；ZipEntry 对象按需从 CEN 索引生成，名字经 ZipCoder 按指定字符集解码。

⑨ `ZipFile.entries().asIterator()` 的 ZIP 条目遍历

java

public Enumeration<? extends ZipEntry> entries() {
    return new Enumeration<ZipEntry>() {
        private int i = 0;
        public boolean hasMoreElements() {
            return i < zsrc.getTotal();              // ① 中央目录总条目数
        }
        public ZipEntry nextElement() {
            synchronized (ZipFile.this) {
                ZipEntry e = zsrc.getEntry(i);       // ② 按索引取条目
                ...
                return e;
            }
        }
    };
}

// 读取条目内容
public InputStream getInputStream(ZipEntry e) {
    ...
    // ③ 定位 LOC 记录，取数据偏移
    // ④ 按压缩方式包装流
    return getInputStream(pos, entry.csize, entry.size, entry.method, ...);
}

遍历基于中央目录索引而非物理顺序：getEntry(i) 按 CEN 数组下标返回 ZipEntry，ZipFile 的迭代因此与目录内条目声明顺序一致。
getInputStream(entry) 解析对应 LOC 记录定位数据起始偏移；按 entry.method 分流——DEFLATED 包 InflaterInputStream、STORED 直接读原始字节。
每次 getInputStream 打开独立的输入流，读完必须 close；ZipFile 本身也需 close() 释放 jzfile 指针与映射（zsrc.close → native close）。

JarFile 清单与签名

⑩ `JarFile` 的 `Manifest` 读取

java

public Manifest getManifest() throws IOException {
    return getManifestFromReference();              // ① 缓存优先
}

private synchronized Manifest getManifestFromReference() throws IOException {
    Manifest man = manRef.get();
    if (man == null) {
        JarEntry manEntry = getManEntry(MANIFEST_NAME);   // ② 找 META-INF/MANIFEST.MF
        if (manEntry != null) {
            man = new Manifest(super.getInputStream(manEntry));   // ③ 读条目构造
            manRef = new SoftReference<>(man);                  // ④ 软引用缓存
        }
    }
    return man;
}

// Manifest 解析
public void read(InputStream is) throws IOException {
    ...
    LineReader lr = new LineReader(is);
    // ⑤ 逐行解析：主属性段 + 各条目段
    parse(man, lr);                             // Attributes 键值对
}

JarFile extends ZipFile，MANIFEST_NAME（META-INF/MANIFEST.MF）是约定名称；清单缺失时 getManifest() 返回 null。
Manifest.read 按 72 字节折行规则解析（续行以空格开头），主属性段之后是每个条目（类/资源）的 Name + 属性列表，存入 Attributes。
Manifest.Entry（内部类）把属性组织成可迭代结构；getAttributes(name) 按条目名取属性——签名验证与 classpath 解析都依赖它。

⑪ `JarFile` 的签名验证（jar 验证）

java

public synchronized Enumeration<JarEntry> entries() { ... }

// JarEntry 签名
public CodeSigner[] getCodeSigners() {
    JarFile jf = ...;
    return jf.getCodeSigners(this);            // ① 委托 JarFile
}

// JarVerifier 验证核心
void processEntry(JarEntry je) throws IOException {
    Attributes attrs = ...;
    // ② 读该条目的 .SF 与 .DSA/.RSA 签名块文件
    // ③ MessageDigest 校验条目数据哈希
    // ④ Signature.verify 校验签名块
    signer = new CodeSigner(certPath, timestamp);   // ⑤ 组装 CodeSigner
}

JAR 签名体系三文件：MANIFEST.MF（声明每个条目的 SHA 摘要）、META-INF/xxx.SF（对清单的签名 + 各条目再摘要）、META-INF/xxx.RSA/DSA（对 .SF 的数字签名块）。
JarVerifier 验证三步：用 MessageDigest 重算条目数据哈希对照 .SF 摘要 → 用 .SF 摘要对照清单摘要 → 用 Signature（如 SHA256withRSA）验证签名块与签名证书。
验证通过后 JarEntry.getCodeSigners() 返回 CodeSigner[]（含证书链与可选时间戳）；失败或篡改抛 SecurityException——这就是"jar 文件防篡改"与 jarsigner 工具运行的底层机制。

MessageDigest / Cipher / ZipFile / JarFile 安全与压缩源码 ​

概述 ​

java.security 安全源码解析 ​

① MessageDigest.getInstance("SHA-256") 的 Provider 查找 ​

② MessageDigest.digest(byte[] input) 的哈希计算 ​

③ Signature.getInstance("SHA256withRSA") 的数字签名 ​

④ Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding") 的加密 ​

⑤ Provider 的安全服务注册 ​

java.util.zip 压缩源码解析 ​

⑥ Deflater.deflate(byte[] b, int off, int len) 的压缩 ​

⑦ Inflater.inflate(byte[] b, int off, int len) 的解压 ​

⑧ ZipFile(String name) 的 ZIP 读取 ​

⑨ ZipFile.entries().asIterator() 的 ZIP 条目遍历 ​

JarFile 清单与签名 ​

⑩ JarFile 的 Manifest 读取 ​

⑪ JarFile 的签名验证（jar 验证） ​

`MessageDigest` / `Cipher` / `ZipFile` / `JarFile` 安全与压缩源码

概述

java.security 安全源码解析

① `MessageDigest.getInstance("SHA-256")` 的 Provider 查找

② `MessageDigest.digest(byte[] input)` 的哈希计算

③ `Signature.getInstance("SHA256withRSA")` 的数字签名

④ `Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding")` 的加密

⑤ `Provider` 的安全服务注册

java.util.zip 压缩源码解析

⑥ `Deflater.deflate(byte[] b, int off, int len)` 的压缩

⑦ `Inflater.inflate(byte[] b, int off, int len)` 的解压

⑧ `ZipFile(String name)` 的 ZIP 读取

⑨ `ZipFile.entries().asIterator()` 的 ZIP 条目遍历

JarFile 清单与签名

⑩ `JarFile` 的 `Manifest` 读取

⑪ `JarFile` 的签名验证（jar 验证）