如何清除内存中AES密钥的所有副本？或阻止.NET运行时复制密钥

我尝试使用AES进行解密，并显式清除密钥占用的内存。解密时传入密钥，完成后调用CryptographicOperations.ZeroMemory方法清零自己持有的密钥内存：

// 示例密钥，实际密钥是通过专用硬件上的非对称私钥解密得到的
byte[] key = System.Security.Cryptography.RandomNumberGenerator.GetBytes(32);

using (Aes aes = Aes.Create())
{
    aes.Key = key;

    // 在此处使用aes对象执行解密操作
}

CryptographicOperations.ZeroMemory(key);

但查看.NET运行时中Aes的Key属性实现，发现它通过CloneByteArray方法创建了密钥的副本：

public virtual byte[] Key
{
    get
    {
        if (KeyValue == null)
            GenerateKey();
        return KeyValue.CloneByteArray()!;
    }

    set
    {
        ArgumentNullException.ThrowIfNull(value);

        long bitLength = value.Length * 8L;
        if (bitLength > int.MaxValue || !ValidKeySize((int)bitLength))
            throw new CryptographicException(SR.Cryptography_InvalidKeySize);

        // 必须将字节转换为比特数
        this.KeySize = (int)bitLength;
        KeyValue = value.CloneByteArray();
    }
}

CloneByteArray扩展方法的实现如下：

public static byte[]? CloneByteArray(this byte[]? src)
{
    if (src == null)
    {
        return null;
    }

    return (byte[])(src.Clone());
}

请问是否有办法显式清除处理AES密钥的所有内存（包括.NET运行时创建的所有副本）？或者能否阻止.NET运行时复制密钥，仅使用我自行分配的密钥？

1. 无法直接阻止.NET运行时复制密钥 #

标准Aes实现的Key属性设计逻辑就是克隆传入的密钥，目的是避免外部修改密钥导致加密/解密过程出现意外。因此没办法直接强制它使用你自行分配的密钥数组，必须接受副本的存在。

2. 清除.NET内部密钥副本的可行方案 #

方案一：使用AesCng（Windows平台专属）

如果代码运行在Windows环境下，可以使用AesCng类，它提供了对密钥内存更精细的控制：

byte[] key = System.Security.Cryptography.RandomNumberGenerator.GetBytes(32);

using (var aes = new AesCng())
{
    // 使用ImportKeyMaterial方法，可指定不保留密钥在内存中
    aes.ImportKeyMaterial(key, CngKeyBlobFormat.GenericBlob);
    
    // 执行解密操作
}

CryptographicOperations.ZeroMemory(key);

AesCng依赖Windows CNG加密库，导入密钥时可通过参数控制密钥存储方式，部分场景下能减少内存中的密钥副本；且当AesCng实例被释放时，内部的密钥内存会被CNG库自动清零。

方案二：自定义Aes实现（跨平台）

如果需要跨平台支持，可以基于SymmetricAlgorithm抽象类实现自己的Aes逻辑，直接使用传入的密钥数组而不克隆。但这种方式需要自行处理密钥验证、加密/解密核心逻辑，复杂度较高，且要确保内存操作的安全性。

方案三：利用GC和内存压力（兜底方案，不推荐）

虽然无法直接访问.NET内部的KeyValue数组，但可以在使用完Aes实例后，强制触发垃圾回收，配合CryptographicOperations.ZeroMemory处理托管内存：

using (Aes aes = Aes.Create())
{
    aes.Key = key;
    // 执行解密操作
}

CryptographicOperations.ZeroMemory(key);
// 提示GC回收Aes实例
GC.Collect();
GC.WaitForPendingFinalizers();

但这种方式不可靠，因为GC的回收时机不确定，无法保证内部密钥副本一定会被清零，仅能作为兜底手段。

3. 额外注意事项 #

• 避免调用Aes.Key的getter方法，每次调用都会创建新的密钥副本，增加内存中密钥的残留风险。
• 对于敏感密钥，尽量减少其在内存中的停留时间，用完立即清零自己持有的密钥数组。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者johanrex