将 VS Code 迁移到进程沙箱

安全性和 VS Code 架构的双赢

2022 年 11 月 28 日，Benjamin Pasero，@BenjaminPasero

在 Electron 渲染器进程中启用沙箱，对于诸如 Visual Studio Code 这样的安全可靠的 Electron 应用程序来说，是一项至关重要的要求。沙箱通过限制对大多数系统资源的访问，来减少恶意代码可能造成的危害。在这篇博客文章中，我们将详细概述我们如何在 VS Code 中启用进程沙箱，这是一个我们在 2020 年初启动并计划在 2023 年初完成的旅程。为了帮助理解进程沙箱化的挑战，这篇博客文章还描述了 VS Code 进程模型的细节，以及它在这个旅程中是如何演变的。

这是一个团队的努力，因为几乎所有 VS Code 组件都需要进行基本的架构更改以及代码修改。VS Code 进程架构得到了彻底改造，并在过程中得到了显著加强。我们重点介绍了沿途的主要里程碑，我们希望这些里程碑能为其他人提供有价值的经验教训。在过去的几个月里，进程沙箱模式已经在 VS Code Insiders 中成功运行，为我们提供了关于此更改影响的反馈。如果您发现问题，对如何改进体验有建议，或有一般性问题，请随时联系我们。

如果您不熟悉 VS Code 或 Electron 或沙箱化，您可能需要先查看博客文章末尾的术语表部分。在那里您将找到所用术语的解释以及指向背景资料的链接。

简而言之，进程沙箱化

长期以来，Electron 允许在 HTML 和 JavaScript 中直接使用 Node.js API。下面的代码片段提供了一个简单的网页示例，它不仅向用户打印“Hello World”，还写入本地磁盘上的文件

负责向用户呈现网页的 Electron 进程称为渲染器进程。为渲染器进程启用沙箱模式可以降低其功能，以提高安全性并更符合 Web 模型：虽然仍然允许 HTML 和 JavaScript，但不允许使用 Node.js。渲染器进程中需要访问系统资源的组件将不得不委托给另一个未沙箱化的进程。

下面的代码不再依赖 Node.js，而是使用一个 vscode 全局变量，该变量提供了更新设置的功能。该方法的实现涉及向另一个有权访问 Node.js 的进程发送消息。因此，它也不再同步执行，而是异步执行

我们在渲染器进程中是如何拥有 vscode 全局变量，以及它是如何实现的，将在下面的时间线部分详细介绍。

阻止渲染器进程使用 Node.js 是 Electron 安全建议所鼓励的。过去我们曾遇到过安全问题，攻击者能够从渲染器进程执行任意 Node.js 代码。沙箱化的渲染器进程大大降低了这些攻击的风险。

我们是如何到达那里的？

像从渲染器进程中删除所有 Node.js 依赖项这样大的改变，会带来回归和错误的风险。以前在一个进程中运行的代码将不得不被拆分并在多个进程中运行。原生 Node 模块，因此无法进行 Web 打包，也必须移出。某些全局对象，如 Node.js Buffer，将不得不被浏览器兼容的变体（如 Uint8Array）所取代。

下图显示了在我们开始沙箱工作之前的进程架构。正如您所看到的，大多数进程都是从渲染器进程 fork 出来的 Node.js 子进程（绿色）。大多数（进程间通信）IPC 是通过 Node.js 套接字实现的，渲染器进程是 Node.js API 的主要客户端——例如，用于读取和写入文件。

我们很快决定，我们希望在不发布单独的沙箱化 VS Code 应用程序的情况下进行进程沙箱化工作。我们希望逐步使 VS Code 渲染器进程为沙箱做好准备，然后在最后翻转开关。在过去的几年里，我们每月发布 VS Code 的稳定版本，其中包含有助于沙箱目标的更改，但没有完全启用它。想象一下，一架正在空中飞行的飞机正在被彻底重建。而在我们的案例中，用户大多没有意识到 VS Code 的变化。

我们的技术时间线

接下来的章节将详细介绍沙箱化在过去几年是如何实现的。主要任务是从渲染器进程中删除所有 Node.js 依赖项，但在此过程中出现了更多挑战，例如，借助 MessagePort 找出有效的沙箱就绪 IPC 解决方案，或者为我们可以从渲染器进程 fork 的各种 Node.js 子进程找到新的宿主。

在很大程度上，主题的顺序遵循实际时间线。为了保持每个部分的简洁，我们链接到其他文档和教程，更详细地解释某个技术方面。即使我们早在 2020 年初就计划了这项工作，但如果忽略一些先前为这项任务提供帮助的工作，那也是不公平的。让我们仔细看看……

站在巨人的肩膀上

当我们在 2020 年初开始考虑沙箱化时，我们已经发布了一个能够在 Web 浏览器中运行的 VS Code 版本。您可以在浏览器中运行 vscode.dev，并看到运行中的 Visual Studio Code for the Web。在创建 VS Code 的 Web 版本时，我们已经学习了如何从工作台中删除 Node.js 依赖项——VS Code 主要用户界面窗口。

删除对 Node.js 的依赖意味着寻找替代方案。例如，我们对 Node.js Buffer 类型的依赖被 VSBuffer 等效类型取代，该类型会在浏览器环境中回退到 Uint8Array。我们还能够打包一些 Node.js 模块（oniguruma，iconv-lite）以在 Web 环境中运行。

但甚至在 VS Code for the Web 成为现实之前，我们就已经启用了对远程开发的支持，这允许在远程主机上编辑源代码，例如通过 SSH 连接（后来甚至由 GitHub Codespaces 提供支持）。对于远程开发，我们必须实现一个解决方案，其中 VS Code 的面向 UI 的部分在本地运行，而实际的文件操作在远程机器上运行。此模型也适用于沙箱化的工作台，其中特权操作必须在不同的进程中运行。在这两种情况下，渲染器进程都通过 IPC 与特权主机通信以执行操作。

启用来自渲染器的通信通道

当渲染器进程无法使用 Node.js 时，必须将工作委托给另一个 Node.js 可用的进程。Web 上下文中的一种解决方案可能是依赖 HTTP 方法，其中服务器接受请求。但是，这感觉不是桌面应用程序的最佳解决方案，因为出于安全原因，在端口上运行本地服务器可能会被防火墙阻止。

Electron 提供了将预加载脚本注入到渲染器进程中的能力，这些脚本在主脚本执行之前执行。这些脚本可以访问 Electron 自己的 IPC 机制。预加载脚本可以通过 上下文桥 API 丰富渲染器主脚本可用的 API。虽然预加载脚本可以直接使用 Electron 的 IPC，但主脚本不能。因此，我们通过上下文桥公开了某些方法给主脚本。在我们开始时使用的示例中，以下是如何从预加载脚本向主脚本公开更新设置的方法

预加载脚本是我们将特权代码与非特权代码分离的基本构建块。例如，写入磁盘上的文件意味着带有新内容的 IPC 消息将从主脚本传输到预加载脚本，然后再从那里传输到有权访问 Node.js 的主进程。

通过消息端口实现快速进程间通信

随着预加载脚本的引入，我们有了一种让渲染器进程与 Electron 主进程通信以安排工作的方式。但是，在 Electron 应用程序中，至关重要的是不要让主进程负担过重的工作，因为它也是负责处理用户输入的进程，例如来自键盘和鼠标的输入。繁忙的主进程可能会导致用户界面无响应。

这是我们以前见过的问题。甚至在进行沙箱化工作之前，我们就对将性能密集型代码卸载到后台进程（VS Code 共享进程）感兴趣。此进程是一个隐藏窗口，所有工作台窗口和主进程都可以与之通信。例如，当您安装扩展时，会向共享进程发送请求以执行整个操作。

但是，与共享进程的通信是通过 Node.js 套接字实现的。这具有主进程零开销的优点，因为它根本不参与通信。缺点是在沙箱化的渲染器中无法进行 Node.js 套接字通信，因为您无法使用任何 Node.js API。

消息端口提供了一种强大的方式，通过在两个进程之间建立 IPC 通道来将它们相互连接。即使是完全沙箱化的渲染器进程也可以使用消息端口，因为它们在浏览器中作为 Web API 提供。将 Node.js 套接字通信替换为消息端口，使我们能够获得与沙箱兼容的 IPC 解决方案，同时仍然保留不必涉及主进程的性能方面。

跨进程边界传递消息端口是复杂的，尤其是在带有预加载脚本的沙箱化渲染器进程中。顺序如下图所示

• 共享进程创建消息端口 P1 和 P2 并保留 P1。
• P2 通过 Electron IPC 发送到主进程。
• 主进程将 P2 转发到请求的渲染器进程。
• P2 最终进入该渲染器进程的预加载脚本。
• 预加载脚本将 P2 转发到渲染器主脚本中。
• 主脚本接收 P2，并可以使用它直接发送消息。

更改渲染器的来源

在 Web 浏览器中，您输入 URL，内容将被加载和呈现。在 Electron 中，您不输入 URL，而是由应用程序为您决定加载和呈现哪些内容。因此，当您打开 VS Code 时，一个窗口会加载一个预配置的 URL 以显示工作台的内容。

对于 VS Code，此 URL 曾使用本地文件协议指向磁盘上的实际文件进行加载（file://<path to file on disk>）。作为沙箱工作的一部分，我们重新审视了这种方法，因为它具有严重的安全隐患。与 HTTPS 协议相比，Chromium 对本地文件协议做出了一些不太严格的安全假设。例如，严格的源检查不适用于本地文件协议 URL。

使用 Electron，您可以注册自定义协议，这些协议可用于将内容加载到渲染器进程中。可以配置自定义协议，使其在安全性方面与 HTTPS 协议的行为相同。我们使用这种方法来避免必须运行本地 Web 服务器来提供内容。

随着为我们所有渲染器进程引入自定义 vscode-file 协议，我们能够放弃所有文件协议的使用。它被配置为像 HTTPS 一样运行，这意味着我们更接近 VS Code for the Web 的实际工作方式。

调整我们的代码加载器

从历史上看，我们所有的 TypeScript 代码都被编译为 AMD 模块，并使用我们多年来一直维护的自定义加载器加载。我们计划放弃 AMD 并采用 ESM，但这项工作仍处于早期阶段。

我们的代码加载器通过探测一些明确定义的变量来确定实际的运行环境，从而支持 Node.js 和 Web 环境。沙箱化的渲染器本质上就像 Web 环境，因此我们的加载器只需进行极少的更改即可支持沙箱。

一旦这些更改完成，我们就能够运行早期版本的 VS Code 并启用沙箱模式。但是，由于我们尚未将渲染器进程从其 Node.js 依赖项中解放出来，因此仅显示空白页以及输出到控制台的错误。

帮助采用的工具

现在我们有了一种在启用沙箱的情况下运行 VS Code 的方法，我们希望投资于工具，以使从依赖 Node.js 的源代码到“为沙箱做好准备”的代码的转换更容易。鉴于我们在 VS Code for the Web 上的投资，我们已经有了静态分析工具，可以阻止 Node.js 代码被发布到 Web 版本。此工具定义了一组目标环境及其运行时要求。我们的工具可以检测和报告在不允许使用 Node.js 的目标环境中使用 Node.js 全局对象（如 Buffer）、Node.js API 或 Node 模块的情况。对于沙箱化工作，我们添加了一个新的目标环境 electron-sandbox，该环境不允许使用任何 Node.js。通过将代码移入此环境，我们能够逐步使代码为沙箱做好准备。

在下面的屏幕截图中，编辑器中出现一个警告标记，指示来自 browser 目标环境的文件依赖于 Node.js 的 API。此警告将导致我们的构建失败，并防止意外地将此代码推送到发布版本。

我们的进程资源管理器和问题报告器实用程序是最早符合 electron-sandbox 目标要求的实用程序之一。在工作台窗口完成采用之前，我们就能够在完全沙箱化的情况下运行这些窗口。

将进程移出渲染器

正如前面的主题详细解释的那样，将 Node.js 功能的片段转移到另一个进程，并使用 IPC 来安排工作并接收结果可能很简单。

但是，工作台中一些依赖于 Node.js 的组件更为复杂，特别是那些 fork 子进程的组件，例如

• 扩展主机
• 集成终端
• 文件监视
• 全文搜索
• 任务执行
• 调试

鉴于 VS Code 可以在远程场景中运行，我们已经有了远程执行某些任务的机制，即：搜索、调试和任务执行。这些组件可以在扩展主机进程中运行，该进程自然地在代码所在的位置本地运行。因此，即使 VS Code 在本地运行且未连接远程，我们也能够将这些子进程的所有权从渲染器进程转移到扩展主机。

对于扩展主机，我们有更宏伟的计划。我们稍后将在其自己的部分中介绍这些更改，因为它需要向 Electron 添加新的“utility process”API。

集成终端和文件监视已转移到作为共享进程的子进程。任何需要文件监视或集成终端的窗口都将通过消息端口与共享进程通信以获取这些服务。

下图显示了我们在 2022 年末的进程架构，此时我们已在渲染器进程中启用了沙箱。所有 Node.js 进程都已转移到成为共享进程的子进程或主进程的 utility process。消息端口用于高效的直接进程到进程通信，而不会给主进程带来负担。

调整 Chromium 的代码缓存

我们还希望确保启用沙箱不会导致任何性能下降。我们测量了从启动到在编辑器中显示闪烁光标所需的时间，并且大量时间花在了 V8 JavaScript 引擎加载、解析和执行主工作台脚本（约 11.5 MB 缩小后的代码）上。除非安装了更新，否则每次启动都会加载相同的脚本。鉴于此行为，V8 可以将脚本的优化版本存储在磁盘上，以便下次使用 代码缓存 时更快地加载。

Chromium 本身使用代码缓存来加快网页的加载时间。它在 V8 引擎中触发与我们的解决方案相同的优化，但是 Chromium 实现仅对在特定持续时间内频繁访问的网页执行此操作。我们希望有一种始终使用代码缓存的解决方案，因为我们的应用程序是桌面应用程序而不是网页。

我们在启动时启用了代码缓存，它很快成为我们改进启动时间的最佳解决方案。不幸的是，我们的解决方案依赖于 Node.js，并且不适用于沙箱化的渲染器进程。

通过在 Electron 中公开代码缓存选项，当使用 bypassHeatCheck 选项时，我们可以强制触发 Chromium 中的代码缓存。此外，当我们检测到用户正在运行较新版本的 VS Code 时，我们通过丢弃以前生成的代码缓存来添加额外的保护层。

新的 Electron API：UtilityProcess

最后也是可能最复杂的任务是找到一个解决方案，将扩展主机移到哪里。与共享进程一样，通信是通过 Node.js 套接字实现的。每个窗口都有一个扩展主机进程，扩展可以自由地生成任意数量的子进程。

我们曾考虑像文件监视器和集成终端一样将扩展主机移入我们的共享进程，但感觉我们应该抓住机会构建更灵活的东西，而不需要隐藏窗口作为主机。

为此，我们想要一个健壮且可扩展的解决方案，该解决方案在沙箱化的渲染器中工作，但保留了当前的大部分行为

• 隔离进程，支持生成子进程
• 完全的 Node.js 支持
• 使用消息端口进行与沙箱化进程的直接 IPC

当时，Electron 无法为我们提供支持这些要求的 API，因此我们为 Electron 贡献了一个新的 utility process API。此 API 使我们能够将扩展主机从渲染器进程移到从主进程创建的 utility process 中。使用消息端口，我们可以直接在渲染器和扩展主机之间进行通信，而不会影响任何其他进程，例如处理所有用户输入的主进程。

移除 Electron webview 元素

虽然不一定需要启用沙箱，但我们借此机会重新审视了在 VS Code 中使用 Electron webview 标签，并将其替换为 iframe 标签，以更紧密地与 VS Code 在 Web 中的工作方式保持一致。这两个标签类似之处在于，它们都允许工作台托管来自扩展的不可信代码，同时将工作台与运行此代码的影响隔离开来。例如，当您打开 Markdown 文件的预览时，内容会在此类元素中呈现，由内置的 Markdown 扩展提供。

在大多数情况下，我们只需将 webview 标签替换为 iframe 标签即可。但是，iframe 缺少一个功能，即在内容中执行和突出显示文本搜索的能力。此功能对于支持在预览 Markdown 文档时搜索文档至关重要。虽然 Chromium 在内部实现了此功能，但它没有作为 Web API 导出以供使用。我们做出了必要的更改以在 Electron 中公开 API，并能够放弃所有 webview 元素的使用。

启用渲染器进程重用

沙箱化渲染器进程的一个性能优势是它们在 Electron 中的生命周期行为。传统上，每次导航到另一个 URL 时，渲染器进程都会终止并重新启动。对于 VS Code，这意味着更改工作区或重新加载窗口会重新创建渲染器进程，这在某些环境和设置中可能很慢。

沙箱化的渲染器进程会保持活动状态，即使在导航 URL 时也是如此。打开另一个工作区或重新加载当前工作区要快得多。但是，要使其工作，需要使在渲染器进程中运行的本机 Node.js 模块上下文感知。即使我们最终将所有本机模块移出渲染器进程以启用沙箱化，我们仍然希望尽早测试渲染器进程重用，因此使我们所有的本机模块都具有上下文感知能力。

将它们整合在一起

最后一步是通过用户设置有条件地启用沙箱模式。我们不想为所有用户启用沙箱模式，而是希望给它一些时间在我们 Insiders 版本中进行验证。借助 window.experimental.useSandbox 设置，默认情况下在 Insiders 中启用沙箱，并且可以在 Stable 中启用。

我们计划使用我们的实验基础设施，在 2023 年初逐步向我们的 Stable 版本推出沙箱启用。这将使我们能够在越来越多的用户集上测试和验证沙箱模式，同时检查问题。

一旦实验阶段结束，沙箱模式将默认对所有用户启用，并且将删除非沙箱模式。稍后的迭代中仍有一些工作计划，例如，我们希望将共享进程转换为 utility process，因为它是一个隐藏窗口，并且使用的资源超过了必要的资源。

这是一次令人惊叹的旅程，只有在整个 VS Code 团队的帮助和激励下才有可能实现。很高兴看到我们可以逐步发布这些更改，并为需要进程沙箱化的新 Electron 版本做好准备。我们能够极大地改进我们的进程架构，并更紧密地与 Web 模型保持一致，为未来创建稳固的基础。

使用的术语

Electron 是使 VS Code 桌面版能够在我们所有支持的平台（Windows、macOS 和 Linux）上运行的主要框架。它结合了 Chromium 与浏览器 API、V8 JavaScript 引擎和 Node.js API，以及平台 集成 API，以构建跨平台桌面应用程序。

在这篇博客文章中，我们将 Electron 进程沙箱化简称为“沙箱”。

重要的是要理解 Chromium 以及 Electron 提供的进程模型。在这篇博客文章中，我们经常提到以下进程

• 主进程 - 应用程序主入口点。
• 渲染器进程 - 用户可以与之交互的窗口。

虽然始终只有一个主进程，但每个打开的窗口都会创建一个渲染器进程。您可以在 Electron 进程模型文档和这篇 Chrome Developers 博客文章中了解有关进程模型的更多信息。

“共享进程”不是 Electron 特有的，而是 VS Code 的实现细节。它是一个启用了 Node.js 的隐藏 Electron 窗口，所有其他窗口都可以与之通信以执行复杂的任务，例如扩展安装。

“扩展主机”是一个进程，它运行与渲染器进程隔离的所有已安装扩展。每个打开的窗口都有一个扩展主机。

VS Code “工作台”窗口是用户与之交互以编辑文件、搜索或调试的主窗口。在这篇博客文章中，我们将其简称为“工作台”。其他窗口是进程资源管理器和问题报告器，可以从帮助菜单访问。

我们使用术语“IPC”来指代进程间通信。IPC 是一种进程与另一个进程通信的方式。

我们发布了 VS Code 的夜间版本，称为“Insiders”，以在一部分用户上测试最新的更改。VS Code 团队中的每个人都使用 Insiders 版本，我们希望您也能尝试一下并报告任何问题。

编码愉快！

Benjamin Pasero，@BenjaminPasero