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FastHook——一种高效稳定、简洁易用的Android Ho

2019-03-16  本文已影响48人  图灵技师

一、概述

在使用YAHFA框架的过程中，遇到了些问题，为了解决这些问题在YAHFA的基础上写了FastHook框架。本文分析内容基于Android 8.1。
项目地址：FastHook：https://github.com/turing-technician/FastHook

二、YAHFA

2.1 YAHFA原理

首先我们来看看YAHFA框架基本流程，再分析其实现原理。


YAHFA原理.png
  1. Target方法EntryPoint替换为HookTrampoline。当执行Target方法时，实际执行HookTrampoline，从而实现方法Hook。
  2. HookTrampoline先将r0设置为Hook方法，再跳转到Hook方法EntryPoint执行Hook方法。
  3. Hook方法参数与Target方法参数须一致，在Hook方法里调用Backup方法达到间接调用Target方法的目的。
  4. Backup方法必须是static方法（如果Target方法不是static方法，Backup方法第一个参数必须为this，Hook方法不需要一定是static方法，只要保证参数一致即可）。static方法是静态分派的，这可以保证调用的是Backup方法本身。
  5. Backup方法必须要完全备份Target方法，ART需要知道native code与dex code的映射关系，例如一条native指令对应哪条dex指令，这个映射关系需要EntryPoint来计算，而为了实现Hook，我们替换了Target方法的EntryPoint。所以我们必须完全复制Backup方法，此时我们执行的还是Backup方法，只是这个Backup方法的内容跟Target完全一样，这样间接达到调用Target方法的目的。

2.2 YAHFA缺陷

  1. 方法执行效率低。YAHFA通过禁止JIT和AOT编译来规避一些问题，但是同时也极大降低了方法执行效率。
  2. Backup方法不能被再次解析。由于Backup方法已备份为Target方法，因而再此被解析将引发NoSuchMethod异常。
  3. Moving GC引发的空指针异常。当Target方法的某些成员（例如Class）被移动时，由于Backup方法是备份得到的，因而不会更新到新地址，导致空指针异常。
  4. 方法内联导致Hook失效。Hook是通过替换方法EntryPoint实现的，因此当方法被内联时就不会用到EntryPoint，这是Hook将失效。

三、FastHook

FastHook提供了两种方案，一种类似Native Inline Hook，另一个依旧是Entrypoint替换。

3.1 Inline模式

Inline模式.png

Inline模式由5部分组成：

  1. JumpTrampoline：Hook链表的头节点，一段跳转指令，覆盖原方法前几字节，将会跳转到HookTrampoline。
  2. HookTrampoline：判断是否需要Hook，如果是，设置r0为Hook方法并跳转到Hook方法，否则跳转到下一个HookTrampoline（多个相似的不同方法可能会共用相同的指令，因此多个方法Hook将形成一个链表结构）。
  3. OriginalTrampoline：Hook链表的尾节点，用于恢复原方法执行流。
  4. Hook方法：执行想要的逻辑，修改原方法参数、屏蔽原方法调用（Hook方法通过调用Forward方法来实现原方法调用）。
  5. Forward方法：一个静态的native方法。没有方法体、也不会被实际调用，如其名仅仅起到Forward的作用，方法EntryPoint将会被TargetTrampoline替换。
  6. TargetTrampoline：用于执行原方法，设置r0为原方法并恢复原方法执行流。

综上可知，原方法没有任何修改、而Forward方法仅仅修改了EntryPoint，从理论上解决了方法解析和Moving GC所带来的问题。

3.1.1 方法编译

Inline模式要求方法必须有编译后的机器代码，而7.0之后默认不会进行AOT编译，因而必须找到一个能编译方法的方案。幸运的是Android默认的JIT便提供了这样的方法：“jit_compile_method”。该方法由libart-compile.so导出，可以利用dlsym获取（7.0之后限制了dlsym，改用fake_dlsym代替）。值得注意的是，为了线程保持正确的状态，不要用当前线程编译。

3.1.2 指令对齐

对于Thumb2指令集， JumpTrampoline是8字节 ，但Thumb有16位和32位两种模式，也就是说JumpTrampoline覆盖掉的指令有可能是不完整的，因此需要做指令判断，复制完整的指令，可能是8字节，也可能是10字节。

3.1.3 PC相关指令

覆盖的指令若包含PC相关指令，需要进行指令恢复，不然计算出来的地址将是错误的。FastHook并不做实际修复，仅判断覆盖的指令是否包含有PC相关指令，如果包含就使用EntryPoint模式。

3.1.4 Hook限制

下列几种情况下将Hook失败：

  1. JIT编译失败。
  2. 编译后的指令长度小于JumpTrampoline的长度。
  3. Native方法（没有实际方法体因此也不能Hook）。

当Inline模式Hook失败将自动转换为EntryPoint模式。

3.2 EntryPoint替换模式

EntryPoint替换模式.png

EntryPoint模式由4个部分组成：

  1. HookTrampoline：设置r0为Hook方法并跳转到Hook方法。
  2. Hook方法：与Inline模式一致。
  3. Forward方法：与Inline模式一致。
  4. TargetTrampoline：用于执行原方法，与Inline模式不同的是，原方法将固定以解释模式执行。

综上可知，虽然原方法EntryPoint被修改了，但其将固定以解释模式执行，虽然牺牲了性能，但是也彻底解决了方法解析与Moving GC所带来的问题。

3.2.1 InterpreterToInterpreter

在8.0之后，如果在Debug编译版本，使用EntrypPoint替换模式会出现Hook失效的情况，方法调用进入InterpreterTointerpreter，不会用到EntryPoint，这里采用YAHFA的方案，Target方法设置kAccNative来规避，只在Debug版本下修改，Release版本不受影响，不修改。

3.3 Hook安全

无论Inline模式还是EntryPoint模式，都要求EntryPoint不能改变。下列几种情况会改变方法EntryPoint：

  1. dex文件加载。
  2. 类初始化。
  3. JIT编译。
  4. JIT垃圾回收（类似Mark-Sweep，设置为QuickToInterpreterBridge）。
  5. 解释执行（如果存在JIT入口则设置为JIT入口 ）。

当进行Hook时，方法所在类一定是初始化了的。所以只需要处理JIT，要准确的判断出当前方法的JIT状态。如果其等待JIT编译或者正在JIT编译，则需待其编译完成再Hook，其他情况可安全Hook。

3.4 方法内联

无论Inline模式还是EntryPoint模式，方法内联都会导致Hook失效，因此需要想方法禁止方法内联。先看看什么情况下会进行内联。

  //代理方法不内联
  if (method->IsProxyMethod()) {
    return false;
  }
  //递归超过限制不内联
  if (CountRecursiveCallsOf(method) > kMaximumNumberOfRecursiveCalls) {
    return false;
  }
const DexFile::CodeItem* code_item = method->GetCodeItem();
  //native方法不内联
  if (code_item == nullptr) {
    return false;
  }
  //方法指令大小超过nline_max_code_units不内联
  size_t inline_max_code_units = compiler_driver_->GetCompilerOptions().GetInlineMaxCodeUnits();
  if (code_item->insns_size_in_code_units_ > inline_max_code_units) {
    return false;
  }
  //有异常捕获不内联
  if (code_item->tries_size_ != 0) {
    return false;
  }
  //设置了kAccCompileDontBother，这里没有返回false，所以并不能阻止内联
  if (!method->IsCompilable()) {
  }
  //Verifiy失败不内联
  if (!method->GetDeclaringClass()->IsVerified()) {
    uint16_t class_def_idx = method->GetDeclaringClass()->GetDexClassDefIndex();
    if (Runtime::Current()->UseJitCompilation() ||
        !compiler_driver_->IsMethodVerifiedWithoutFailures(
            method->GetDexMethodIndex(), class_def_idx, *method->GetDexFile())) {
      return false;
    }
  }
  //静态方法或私有方法关联<clinit>不内联
  if (invoke_instruction->IsInvokeStaticOrDirect() &&
      invoke_instruction->AsInvokeStaticOrDirect()->IsStaticWithImplicitClinitCheck()) {
    return false;
  }

考虑到修改方法属性可能会其他未知的风险，因此选择修改inline_max_code_units。inline_max_code_units是CompilerOptions的成员，CompilerOptions是jit_compile_handle的成员，jit_compile_handle是一个全局静态变量，因此可以通过dlsym获取。通过修改其为0来禁止JIT编译。这种方式只能阻止JIT内联，对AOT无效。AOT编译的时候会新建立Runtime环境，而我们只能修改当前Runtime环境。对OSR也无能为力。

3.5 小结

简而言之，FastHook方案就是：Hook方法Hook原方法，原方法Hook Forward方法，Hook方法调用Forward方法来实现调用原方法。

四、使用FastHook

4.1 提供HookInfo

private static String[] mHookItem = {
            "mode",
            "targetClassName","targetMethodName","targetParamSig",
            "hookClassName","hookMethodName","hookParamSig",
            "forwardClassName","forwardMethodName","forwardParamSig"
};

public static String[][] HOOK_ITEMS = {
             mHookItem
};
  1. HookInfo类可以是任意类，但是必须存在一个名为HOOK_ITEMS的静态二维数组成员变量。
  2. HookItem的格式是固定的，如上图所示，mode有两个取值："1":Inline模式；"2":EntryPoint替换模式，特别注意，sig要求的是参数签名而不是完整的方法签名。

4.2 Hook接口

/**
 *
 *@param hookInfoClassName HookInfo类名
 *@param hookInfoClassLoader HookInfo类所在的ClassLoader，如果为null，代表当前ClassLoader
 *@param targetClassLoader Target方法所在的ClassLoader，如果为null，代表当前ClassLoader
 *@param hookClassLoader Hook方法所在的ClassLoader，如果为null，代表当前ClassLoader
 *@param forwardClassLoader Forward方法所在的ClassLoader，如果为null，代表当前ClassLoader
 *@param jitInline 是否内联，false，禁止内联；true，允许内联
 *
 */
public static void doHook(String hookInfoClassName, ClassLoader hookInfoClassLoader, ClassLoader targetClassLoader, ClassLoader hookClassLoader, ClassLoader forwardClassLoader, boolean jitInline)

1. 插件式Hook：建议在attachBaseContext方法里调用。

//插件式Hook，需要提供插件的ClassLoader
FastHookManger.doHook("hookInfoClassName",pluginsClassloader,null,pluginsClassloader,pluginsClassloader,false);

2. 内置Hook，建议在attachBaseContext方法里调用。

//内置Hook，都位于当前ClassLoader
FastHookManger.doHook("hookInfoClassName",null,null,null,null,false);

3. Root Hook，建议在handleBindApplication方法里合适的地方调用，一般在加载apk后，调用attachBaseContext前。

//Root Hook，需要体供插件的ClassLoader和apk的ClassLoader
FastHookManger.doHook("hookInfoClassName",pluginsClassloader,apkClassLoader,pluginsClassloader,pluginsClassloader,false);

4.3 支持的Android版本

5.0 ~ 9.0

4.4 支持的架构

Thumb2
Arm64

参考

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YAHFA：https://github.com/rk700/YAHFA
Nougat_dlfunctions：https://github.com/avs333/Nougat_dlfunctions

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