本文深入探讨了python `exec()`函数在尝试构建受控执行环境时所面临的固有安全风险。通过一个具体示例，我们揭示了即使在严格限制全局和局部变量的情况下，外部代码仍能轻易绕过限制，直接修改非局部变量（如闭包中的变量）。文章强调了`exec()`的本质不安全性，并指出任何试图通过简单字典限制来“保护”执行环境的做法都将失效，因为执行代码总能找到途径访问解释器状态，从而带来严重的安全隐患，远超简单的变量修改。
理解exec()的受控执行尝试
在Python中，exec()函数允许执行动态生成的代码字符串。开发者有时会尝试利用其globals和locals参数来创建一个“受控”的执行环境，以限制被执行代码的权限。考虑以下controlled_exec函数：
def controlled_exec(code):
x = 0
def increment_x():
nonlocal x
x += 1
globals = {"__builtins__": {}} # 移除所有全局变量，包括内置函数
locals = {"increment_x": increment_x} # 只暴露 increment_x 函数
exec(code, globals, locals)
return x这个函数的设计初衷是提供一个受限的API，其中变量x只能通过调用increment_x()函数来增加。例如，执行controlled_exec("increment_x()\nincrement_x()")会返回2，符合预期。然而，这种看似“安全”的隔离实际上是极其脆弱的。
绕过控制：直接修改非局部变量
尽管controlled_exec函数试图通过清空globals和只暴露increment_x来限制代码行为，但被执行的代码仍然有能力绕过这些限制，直接修改变量x的值。其关键在于利用Python闭包的内部机制。
当increment_x函数被定义时，它捕获了外部作用域（即controlled_exec函数内部）的变量x。这个被捕获的变量x实际上存储在一个称为“cell”的对象中，并且可以通过increment_x函数的__closure__属性访问。__closure__是一个元组，包含所有闭包变量的cell对象。每个cell对象都有一个cell_contents属性，可以直接读写其内部存储的值。
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因此，被执行的代码可以通过以下方式修改x的值：
increment_x.__closure__[0].cell_contents = -100
这里，increment_x.__closure__[0]访问了increment_x闭包中第一个（也是唯一一个）非局部变量x的cell对象，然后通过.cell_contents直接将其值设置为-100。
示例代码与输出
为了更清晰地展示这一漏洞，我们修改increment_x函数，使其在每次调用时打印x的值：
def controlled_exec(code):
x = 0
def increment_x():
nonlocal x
x += 1
print(f"{x=}") # 添加打印语句以观察变化
globals = {"__builtins__": {}}
locals = {"increment_x": increment_x}
exec(code, globals, locals)
return x
# 执行包含攻击代码的字符串
controlled_exec("""\
increment_x()
increment_x.__closure__[0].cell_contents = -100
increment_x()
""")执行上述代码将产生以下输出：
x=1 x=-99
从输出中可以看出，第一次调用increment_x()后x变为1。接着，increment_x.__closure__[0].cell_contents = -100将x的值直接修改为-100。最后一次调用increment_x()时，x在-100的基础上加1，变为-99。这证明了即使在尝试隔离的情况下，变量x也未能得到保护。
exec()的固有不安全性与更广泛的威胁
这个例子只是冰山一角，揭示了exec()函数在安全沙箱方面存在的根本性缺陷。无论你如何尝试限制globals和locals字典，被执行的代码总能找到途径访问Python解释器的内部状态。
例如，尽管我们尝试从globals中移除所有内置函数，但攻击者仍然可以通过increment_x.__globals__['__builtins__']来重新访问它们。这只是众多绕过安全限制的技巧之一。
更严重的是，能够修改一个变量的值只是一个相对“温和”的例子。如果将不受信任的代码传递给exec()，它将拥有与你的程序相同的权限。这意味着被执行的代码可以：
- 访问文件系统： 读取、写入、删除任意文件。
- 执行系统命令： 调用os.system()或subprocess.run()来执行外部程序。
- 网络操作： 发送网络请求，下载恶意软件，或将敏感数据上传到远程服务器。
- 修改程序逻辑： 篡改内存中的对象，甚至改变程序的行为。
简而言之，将不受信任的代码传递给exec()，等同于授予该代码完全控制你的计算机的权限。
结论与注意事项
- exec()不适用于安全沙箱： Python的exec()函数从设计上就不是为了安全地执行不受信任的代码。任何试图通过简单地限制globals和locals来创建安全沙箱的尝试都注定会失败。
- 理解闭包机制： 开发者应了解Python闭包的内部工作原理，尤其是__closure__和cell_contents属性，这对于理解一些高级的Python特性和潜在的漏洞至关重要。
- 避免执行不可信代码： 最重要的安全原则是永远不要执行来自不可信源的代码。
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考虑替代方案： 如果确实需要执行动态代码，且这些代码可能来自不可信源，应考虑更安全的替代方案：
- 专用沙箱环境： 使用像PyPy的沙箱模式，或者在独立的、受限的容器（如Docker）中执行代码。
- 代码审查： 对所有即将执行的动态代码进行严格的安全审查。
- 白名单方法： 仅允许执行预定义、受信任的代码片段，而不是任意字符串。
总之，Python的强大和灵活性也带来了潜在的安全风险。在使用exec()等功能时，必须充分理解其安全含义，并采取严格的预防措施，以避免将系统暴露于严重威胁之下。
