跳转到主要内容

Electron 与 V8 内存笼

·8 分钟阅读
nornagon
nornagon

Electron 21 及更高版本将启用 V8 内存笼，这对一些原生模块有影响。

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，我们将启用 V8 沙盒指针，遵循 Chrome 在 Chrome 103 中采取的相同决策。这对于原生模块有一些影响。此外，我们之前在 Electron 14 中启用了相关技术，即 指针压缩。当时我们没有过多讨论，但指针压缩对 V8 堆的最大大小有影响。

这两种技术在启用后，在安全性、性能和内存使用方面都有显著的好处。然而，启用它们也有一些缺点。

启用沙盒指针的主要缺点是，指向外部（“堆外”）内存的 ArrayBuffers 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才能在 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 堆被限制为最大 4GB。具体细节有些复杂——例如，ArrayBuffers 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 内存笼的优点大于缺点。这样做主要有三个原因：

  1. 它使 Electron 更接近 Chromium。Electron 在 V8 配置等复杂内部细节上与 Chromium 的差异越小，我们意外引入错误或安全漏洞的可能性就越小。Chromium 的安全团队实力强大，我们希望确保我们能利用他们的工作。此外，如果一个错误只影响 Chromium 未使用的配置，那么修复它可能不是 Chromium 团队的优先事项。
  2. 它表现更好。指针压缩可将 V8 堆大小减少多达 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. 它更安全。一些 Electron 应用程序运行不受信任的 JavaScript（希望遵循我们的 安全建议！），对于这些应用程序，启用 V8 内存笼可以保护它们免受一大类恶意 V8 漏洞的侵害。

最后，对于确实需要更大堆大小的应用程序，有解决方法。例如，可以在应用程序中包含一个禁用了指针压缩的 Node.js 副本，并将内存密集型工作转移到子进程。虽然有些复杂，但如果您的特定用例需要不同的权衡，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（无论是在 Web 上还是在 Electron 中）使用超过 4GB 的内存。

常见问题解答​

我如何知道我的应用程序是否受此更改影响？​

尝试使用 ArrayBuffer 包装外部内存将在 Electron 20+ 中导致运行时崩溃。

如果您的应用程序中没有使用任何原生 Node 模块，那么您是安全的——无法从纯 JS 触发此崩溃。此更改仅影响那些在 V8 堆之外分配内存（例如使用 malloc 或 new），然后用 ArrayBuffer 包装外部内存的原生 Node 模块。这是一种相当罕见的用例，但有些模块确实使用了这种技术，并且此类模块需要重构才能与 Electron 20+ 兼容。

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

在渲染器进程中，您可以使用 performance.memory.usedJSHeapSize，它将以字节为单位返回 V8 堆使用量。在主进程中，您可以使用 process.memoryUsage().heapUsed，它是可比较的。

什么是 V8 内存笼？​

有些文档将其称为“V8 沙盒”，但该术语容易与 Chromium 中发生的 其他类型的沙盒 混淆，因此我将坚持使用“内存笼”这个术语。

有一种相当常见的 V8 漏洞利用方式，大致如下：

  1. 在 V8 的 JIT 引擎中发现一个错误。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机器码。有时逻辑错误意味着它错误地进行了这种分析，并省略了它实际需要的类型检查——例如，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 堆中的某些内存位，例如 ArrayBuffer 开始位置的指针。
  3. 现在您拥有一个指向任意位置的 ArrayBuffer，因此您可以读取和写入进程中的任何内存，即使是 V8 通常无法访问的内存。

V8 内存笼是一种旨在彻底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，所有对 V8 堆内部其他内存的引用都以某个保留区域开头的偏移量存储。这样，即使攻击者设法破坏 ArrayBuffer 的基地址，例如通过利用 V8 中的类型混淆错误，他们最坏也只能在笼内读写内存，而这他们本来可能就已经可以做到了。关于 V8 内存笼的工作原理还有很多可读的资料，因此我不会在此处深入探讨——最好的起点可能是 Chromium 团队的 高级设计文档。

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

有两种方法可以重构原生模块以使其与 V8 内存笼兼容。第一种方法是，在将外部创建的缓冲区传递给 JavaScript 之前，将其**复制**到 V8 内存笼中。这通常是一个简单的重构，但当缓冲区很大时可能会很慢。另一种方法是**使用 V8 的内存分配器**来分配您打算最终传递给 JavaScript 的内存。这有点复杂，但可以避免复制，这意味着对于大缓冲区来说性能更好。

为了使这一点更具体，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);

当启用内存笼时，这会崩溃，因为数据是在笼子外面分配的。重构为复制数据到笼子中，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!

这将数据复制到一个新分配的内存区域，该区域位于 V8 内存笼内。可选地，N-API 还可以提供指向新复制数据的指针，以防您需要在事后修改或引用它。

重构以使用 V8 的内存分配器要复杂一些，因为它需要修改 create_external_resource 函数以使用 V8 分配的内存，而不是使用 malloc。这可能或多或少可行，具体取决于您是否控制 create_external_resource 的定义。其思想是首先使用 V8 创建缓冲区，例如使用 napi_create_buffer，然后将资源初始化到 V8 分配的内存中。重要的是要为 资源的生命周期 保留对 Buffer 对象的 napi_ref，否则 V8 可能会垃圾回收 Buffer，并可能导致 use-after-free 错误。