跳到主要内容

Electron 和 V8 内存牢笼

·阅读时长 7 分钟
nornagon
nornagon

Electron 21 及更高版本将启用 V8 内存牢笼，这对某些原生模块有影响。

更新 (2022/11/01)

要跟踪关于 Electron 21+ 中原生模块使用的持续讨论，请参阅 electron/electron#35801。

在 Electron 21 中，我们将参照 Chrome 在 Chrome 103 中做出的相同决定，在 Electron 中启用 V8 沙盒指针。这对于原生模块有一些影响。此外，我们之前已在 Electron 14 中启用了相关的技术——指针压缩。当时我们没有对此做太多讨论，但指针压缩对 V8 堆的最大大小有影响。

这两项技术启用后，在安全性、性能和内存使用方面都非常有益。然而，启用它们也存在一些缺点。

启用沙盒指针的主要缺点是**指向外部（“堆外”）内存的 ArrayBuffer 不再被允许**。这意味着依赖 V8 中此功能的原生模块需要重构，以便在 Electron 20 及更高版本中继续工作。

启用指针压缩的主要缺点是 **V8 堆的最大大小被限制为 4GB**。具体细节有些复杂——例如，ArrayBuffer 与 V8 堆的其余部分分开计算，但有它们自己的限制。

Electron 升级工作组认为指针压缩和 V8 内存牢笼的好处大于缺点。主要有三个原因：

  1. 这使得 Electron 更接近 Chromium。Electron 在诸如 V8 配置等复杂的内部细节上与 Chromium 的差异越小，我们意外引入 Bug 或安全漏洞的可能性就越小。Chromium 的安全团队实力强大，我们希望确保能够利用他们的工作。此外，如果一个 Bug 只影响在 Chromium 中未使用的配置，那么修复它不太可能成为 Chromium 团队的优先事项。
  2. 性能更好。指针压缩可将 V8 堆大小减少高达 40%，并将 CPU 和 GC 性能提高 5%–10%。对于绝大多数不会触及 4GB 堆大小限制且不使用需要外部缓冲区的原生模块的 Electron 应用程序来说，这些都是显著的性能提升。
  3. 更安全。一些 Electron 应用程序运行不受信任的 JavaScript（希望它们遵循我们的安全建议！），对于这些应用程序来说，启用 V8 内存牢笼可以保护它们免受一大类恶劣的 V8 漏洞的影响。

最后，对于确实需要更大堆大小的应用程序，也有一些变通方法。例如，可以在你的应用中包含一份禁用了指针压缩的 Node.js 副本，并将内存密集型工作转移到子进程中。虽然有些复杂，但如果你决定为你的特定用例做出不同的权衡，也可以构建一个禁用了指针压缩的自定义 Electron 版本。最后，在不远的将来，wasm64 将允许使用 WebAssembly 构建的应用程序（无论是网页应用还是 Electron 应用）使用远超 4GB 的内存。

常见问题解答​

我如何知道我的应用是否受到此变更的影响？​

在 Electron 20+ 中，尝试使用 ArrayBuffer 封装外部内存将在运行时崩溃。

如果你的应用不使用任何原生 Node 模块，那么你是安全的——无法仅通过纯 JS 触发此崩溃。此变更仅影响那些在 V8 堆之外分配内存（例如使用 `malloc` 或 `new`）然后用 ArrayBuffer 封装外部内存的原生 Node 模块。这是一个相当罕见的用例，但有些模块确实使用了这种技术，此类模块需要重构才能兼容 Electron 20+。

我如何衡量我的应用使用了多少 V8 堆内存，以了解我是否接近 4GB 限制？​

在渲染器进程中，你可以使用 `performance.memory.usedJSHeapSize`，它将返回 V8 堆的字节使用量。在主进程中，你可以使用 `process.memoryUsage().heapUsed`，两者是可比较的。

什么是 V8 内存牢笼？​

有些文档称之为“V8 沙箱”，但这个术语很容易与 Chromium 中发生的其他类型的沙箱混淆，因此我将沿用“内存牢笼”（memory cage）这个术语。

一种相当常见的 V8 漏洞利用方式大致如下：

  1. 在 V8 的 JIT 引擎中找到一个 Bug。JIT 引擎分析代码，以便能够省略缓慢的运行时类型检查并生成快速的机器码。有时逻辑错误会导致分析错误，省略了实际需要的类型检查——比如，它认为 x 是一个字符串，但实际上它是一个对象。
  2. 利用这种混淆来覆盖 V8 堆内部的某些内存位，例如，ArrayBuffer 开头的指针。
  3. 现在你就有了一个可以指向任意位置的 ArrayBuffer，因此你可以读取和写入进程中的**任何**内存，甚至是 V8 通常无法访问的内存。

V8 内存牢笼是一种旨在从根本上防止此类攻击的技术。实现方式是*不在 V8 堆中存储任何指针*。相反，V8 堆内部对其他内存的所有引用都存储为某个保留区域开头的偏移量。这样，即使攻击者设法破坏了 ArrayBuffer 的基地址（例如，通过利用 V8 中的类型混淆错误），他们最坏也只能在牢笼内读写内存，而这无论如何他们可能已经能够做到了。关于 V8 内存牢笼如何工作，还有很多可读的内容，因此这里不再深入细节——最好的入门阅读材料可能是 Chromium 团队的高层设计文档。

我想重构一个 Node 原生模块以支持 Electron 21+。我该怎么做？​

重构原生模块以兼容 V8 内存牢笼有两种方法。第一种方法是**将**外部创建的缓冲区**复制**到 V8 内存牢笼中，然后再将其传递给 JavaScript。这通常是一个简单的重构，但当缓冲区很大时可能会比较慢。另一种方法是**使用 V8 的内存分配器**来分配你打算最终传递给 JavaScript 的内存。这有点复杂，但可以避免复制，这意味着对于大型缓冲区有更好的性能。

为了更具体说明，这里有一个使用外部 ArrayBuffer 的 N-API 模块示例

// Create some externally-allocated buffer.
// |create_external_resource| allocates memory via malloc().
size_t length = 0;
void* data = create_external_resource(&length);
// Wrap it in a Buffer--will fail if the memory cage is enabled!
napi_value result;
napi_create_external_buffer(
    env, length, data,
    finalize_external_resource, NULL, &result);

当内存牢笼启用时，这将导致崩溃，因为数据是在牢笼外部分配的。重构为将数据复制到牢笼中，我们得到：

size_t length = 0;
void* data = create_external_resource(&length);
// Create a new Buffer by copying the data into V8-allocated memory
napi_value result;
void* copied_data = NULL;
napi_create_buffer_copy(env, length, data, &copied_data, &result);
// If you need to access the new copy, |copied_data| is a pointer
// to it!

这将把数据复制到 V8 内存牢笼内部新分配的内存区域。另外，如果事后需要修改或引用新复制的数据，N-API 也可以提供指向该数据的指针。

重构以使用 V8 的内存分配器要稍微复杂一些，因为它需要修改 `create_external_resource` 函数，使其使用 V8 分配的内存，而不是使用 `malloc`。这是否可行取决于你是否控制 `create_external_resource` 的定义。思路是先使用 V8 创建缓冲区，例如使用 `napi_create_buffer`，然后将资源初始化到由 V8 分配的内存中。重要的是要保留对 Buffer 对象的 `napi_ref`，以确保资源生命周期内它不会被 V8 垃圾回收，否则可能导致 use-after-free 错误。