Сравнительный анализ языков программирования C++ и Java с точки зрения обеспечения безопасности кода

DOI:

В условиях роста киберугроз и усложнения программных систем выбор языка программирования становится критически важным фактором, определяющим безопасность разрабатываемого кода [1]. В данной статье проводится сравнительный анализ языков программирования C++ и Java с точки зрения механизмов обеспечения безопасности.

Рассматриваются ключевые аспекты, такие как управление памятью, обработка исключений, предотвращение распространенных уязвимостей и поддержка инструментов анализа кода [2-5]. На основе проведенного анализа выявляются преимущества и ограничения каждого языка, предлагаются рекомендации по их применению в различных сценариях разработки. Работа ориентирована на разработчиков, архитекторов программного обеспечения и исследователей, заинтересованных в повышении безопасности ПО.

C++ был разработан в 1983 году как расширение языка C. Он поддерживает процедурное и объектно-ориентированное программирование, предоставляя низкоуровневый доступ к памяти, что обеспечивает высокую производительность. C++ широко используется в системном программировании, разработке драйверов, игр и высокопроизводительных приложений. Однако отсутствие автоматического управления памятью делает язык подверженным рискам утечек памяти и переполнений буфера.

Java появился в 1995 году и был разработан компанией Sun Microsystems. Это полностью объектно-ориентированный язык, ориентированный на простоту, безопасность и платформенную независимость, реализующуюся через концепцию "Write Once, Run Anywhere". Java использует автоматическое управление памятью с помощью сборщика мусора (Garbage Collector), что существенно снижает риск ошибок, связанных с управлением ресурсами. Язык широко применяется для разработки корпоративных систем, мобильных приложений и веб-сервисов. Встроенные механизмы проверки границ массивов и обработки исключений дополнительно повышают его уровень безопасности.

Для сравнения C++ и Java с точки зрения безопасности кода можно выделить три главных критерия [6-10], представленные на рисунке 1.

Рисунок 1. Критерии для сравнения C++ и Java .

Figure 1. Criteria for comparing C++ and Java.

УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОШИБОК

Управление памятью играет ключевую роль в безопасности и производительности программного обеспечения [11-15]. Ошибки, связанные с неправильным управлением памятью, являются одной из наиболее распространённых причин уязвимостей и аварийных завершений программ. Рассмотрим, как C++ и Java справляются с этой задачей.

В C++ разработчику предоставляется полный контроль над памятью, включая её выделение и освобождение [16]. Высокая производительность позволяет осуществлять полный контроль и оптимизировать использование памяти, что особенно важно в системах реального времени или приложениях с ограниченными ресурсами. Низкоуровневый доступ с возможностью напрямую работать с указателями и памятью, что даёт разработчику большие возможности.

Это даёт большую гибкость, но и повышает риск ошибок. Утечки памяти возникающие, если память, выделенная через «new», не освобождается через «delete», это приводит к росту использования памяти и падению производительности. Переполнение буфера происходит, если программа выходит за пределы выделенной памяти массива или структуры. Ошибки указателей возникают при использование неинициализированных или «висячих» указателей, что может привести к неопределённому поведению.

Средствами предотвращения ошибок, могут выступить умные указатели (Smart Pointers) и инструменты анализа памяти [17, 18].

Java автоматически управляет памятью с использованием Garbage Collector (GC), что значительно снижает риск ошибок, связанных с ручным управлением памятью. Особенностью является, автоматическое управление памятью, где Garbage Collector автоматически освобождает память, которая больше не используется. Это предотвращает утечки памяти, возникающие из-за забытых вызовов освобождения памяти. Отсутствие указателей позволяет Java оперировать ссылками вместо указателей, что исключает возможность прямого доступа к адресам памяти. Это снижает вероятность ошибок, связанных с использованием некорректных адресов.

Java, как и C++ не обделена проблемами, такими как, утечки памяти через ссылки, когда объекты остаются достижимыми (например, через статические поля или коллекции), но больше не используются, Garbage Collector их не удалит [19, 20]. Ошибки многопоточности, возникают если программы используют объекты неправильно в многопоточном окружении, это может привести к гонкам данных и другим проблемам.

Средствами предотвращения ошибок в Java, могут выступить профайлеры памяти «VisualVM» и «JProfiler», подбор правильной стратегии сборки мусора для приложения «Garbage Collection Tuning».

Управление памятью в C++ дает мощный инструмент для оптимизации производительности, но требует высокой квалификации разработчика для предотвращения ошибок. Java, с автоматическим управлением памятью, снижает вероятность ошибок, однако не всегда позволяет достичь максимальной производительности.

При выборе языка программирования важно учитывать требования проекта [21]. Для системного программирования и приложений с высокими требованиями к производительности часто выбирают C++, тогда как для корпоративных приложений и разработки с акцентом на безопасность предпочтителен Java.

ОБРАБОТКА ИСКЛЮЧЕНИЙ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ УЯЗВИМОСТЕЙ

C++ предоставляет мощный, но довольно сложный механизм обработки исключений, заключающийся в исключении через ключевые слова «try», «catch», «throw». Исключения выбрасываются с помощью оператора «throw» и перехватываются в блоках «catch». В отличие от Java, обработка исключений в C++ не является обязательной. Программист может проигнорировать ошибку, что может привести к неожиданному поведению программы. Нет разделения на проверяемые и непроверяемые исключения. Исключения в C++ не классифицируются как в Java, что увеличивает свободу программиста, но снижает предсказуемость поведения программы.

Уязвимости C++ представляются в необработанных исключениях, когда исключение выбрасывается, но не перехватывается, программа завершает работу, это может привести к утечкам данных или остановке критических сервисов. Утечки ресурсов, когда исключение, выброшенное до освобождения ресурсов, могут привести к утечке памяти или файловых дескрипторов.

В качестве средства предотвращения уязвимостей может выступать использование RAII (Resource Acquisition Is Initialization), которое обеспечивает автоматическое освобождение ресурсов и статический анализ кода, при котором использование инструментов, таких как Clang-Tidy, помогает находить места, где могут быть выброшены необработанные исключения.

Java обладает встроенной и обязательной системой обработки исключений, которая значительно повышает предсказуемость кода с основными особенностями, например, исключения через ключевые слова « try», «catch», «finally». Java требует обязательной обработки проверяемых исключений (checked exceptions) либо их явного указания в методе через «throws». Механизм «finally» выполняется всегда, даже если в «try» или «catch» возникает исключение, что помогает избежать утечек ресурсов.

Уязвимостью Java выступает игнорирование исключений, так как Java требует обработки проверяемых исключений, программисты иногда используют пустые блоки «catch», что делает код уязвимым. Потенциальное игнорирование «finally» в некоторых случаях (например, при вызове System.exit() в блоке «try»), блок «finally» может быть пропущен. Необработанные непроверяемые исключения, когда ошибки, такие как «NullPointerException», могут приводить к сбоям, если не обрабатывать их корректно.

В качестве средства предотвращения уязвимостей может выступать логгирование исключений, когда организуется использование логгеров (например, Log4j, SLF4J) вместо игнорирования. Для автоматического закрытия ресурсов используются ресурсы в «try-with-resources», а также профилактика исключений, например, проверка входных данных перед выполнением операции.

C++ предоставляет большую гибкость в обработке исключений, но это требует более внимательного подхода от программиста, чтобы избежать утечек ресурсов и неожиданных сбоев. Java, напротив, имеет встроенные механизмы и строгую систему обработки исключений, которая делает код безопаснее и предсказуемее. Однако разработчики должны избегать пустых блоков «catch» и правильно управлять непроверяемыми исключениями.

Правильное использование механизмов обработки исключений обоих языков существенно снижает вероятность уязвимостей в коде.

МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТЫ НА УРОВНЕ ЯЗЫКА

C++ предоставляет программисту высокий уровень контроля над процессами выполнения, что дает больше гибкости, но одновременно делает код уязвимым к ряду ошибок:

• •    Минимальный контроль на этапе выполнения. C++ не выполняет проверки выхода за пределы массивов, что делает работу с массивами быстрой, но опасной. Такое поведение может привести к повреждению данных, утечке информации или выполнению вредоносного кода;

• •    Прямой доступ к памяти. C++ позволяет работать с указателями, что дает программисту полный контроль над адресами памяти. Это делает язык мощным, но также увеличивает вероятность ошибок «dangling pointers» переполнение буфера, внедрение вредоносного кода.

Если в классе указан экземпляр или статическая переменная с тем же именем, что и переменная-шаблон, скомпилированный код, функция Java «preview» по сопоставлению шаблонов может упростить написание программного кода. Добавление переменной-шаблона к оператору «instanceof» делает код более лаконичным и читабельным.

Механизмом защиты в языке программирования Java выступает встроенная проверка границ массивов, когда Java автоматически проверяет индекс при доступе к массиву. Если индекс выходит за пределы массива, выбрасывается исключение «ArrayIndexOutOfBoundsException», это исключает возможность повреждения данных в памяти. Также к защите можно отнести запрет прямого доступа к памяти, где Java не поддерживает указатели, а доступ к объектам осуществляется через ссылки. Это устраняет риск повреждения данных из-за некорректного указателя. Все объекты управляются виртуальной машиной (JVM), что исключает прямое управление адресами памяти. И еще один механизм защиты, это виртуальная машина Java (JVM), здесь JVM проверяет корректность байт-кода перед его выполнением. Это предотвращает запуск невалидного или вредоносного кода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного анализа языков программирования C++ и Java были выявлены их ключевые особенности и различия в обеспечении безопасности кода. C++ предоставляет разработчику высокий уровень контроля над ресурсами и позволяет создавать высокопроизводительные приложения. Однако такой подход требует внимательного отношения к управлению памятью и обработке ошибок, так как язык не предоставляет встроенных механизмов для защиты от распространения уязвимостей, таких как переполнение буфера или утечка памяти. Java, напротив, ориентирован на простоту и безопасность. Встроенные механизмы проверки границ массивов, автоматическое управление памятью с помощью Garbage Collector и отсутствие прямого доступа к памяти делают язык менее подверженным ошибкам. Дополнительно виртуальная машина Java обеспечивает выполнение только корректного байт-кода, что повышает устойчивость программ к внешним угрозам.

Сравнительный анализ продемонстрировал, что Java обладает явным преимуществом в плане встроенной защиты, в то время как C++ позволяет достичь более высокой производительности, но при этом требует значительных усилий для предотвращения ошибок. Современные версии C++ предлагают инструменты для повышения безопасности, что снижает разрыв между этими языками, однако Java по-прежнему остается предпочтительным выбором для задач, где надежность и безопасность имеют первостепенное значение.

Таким образом, выбор между C++ и Java должен основываться на специфике проекта. Для высокопроизводительных систем и приложений с жесткими требованиями к эффективности C++ является подходящим решением. В свою очередь, Java лучше всего подходит для разработки корпоративных приложений, мобильных платформ и вебсервисов, где безопасность кода играет ключевую роль. Представленный в работе анализ может стать основой для осознанного выбора инструмента разработки в зависимости от потребностей конкретного проекта.