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[原创]FastHook——一种高效稳定、简洁易用的Android Hook框架

2019-3-9 16:07 3803

[原创]FastHook——一种高效稳定、简洁易用的Android Hook框架

2019-3-9 16:07
3803

一、前言

GitHub:FastHook

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。

二、YAHFA

首先我们来看看YAHFA框架基本流程,再分析其实现原理。


  • 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。
  • HookTrampoline先将r0设置为Hook方法,再跳转到Hook方法EntryPoint执行Hook方法

  • 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

  • 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。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

存在的问题:

  • 性能损耗大。设置 kAccCompileDontBother禁止了JIT和AOT编译 。
  • Backup不能被再次解析。而8.0之后, dex_cache_resolved_methods_只有1024大小,方法索引为 dex_method_index_%1024 , Backup方法所在dex方法数超过1024时,Backup方法有可能被覆盖,触发方法解析 。
  • Moving GC问题。当Target方法Class对象被移动时, 由于Backup方法是备份得到的,不会更新到新地址, 这就造成空指针异常 。
  • 方法内联导致Hook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。
  • Inline模式


  • EntryPoint替换模式


  • Inline模式实现

用一段跳转代码JumpTrampoline覆盖Target方法native code头几个字节,这样当执行Target方法时会跳转到我们指定地方,到达Hook的目的。 JumpTrampoline跳转到HookTrampoline, HookTrampoline里判断当前方法是否是需要Hook的方法(相似的方法可能会复用同一native code),如果是,将r0设置为Hook方法并跳转到Hook方法EntryPoint,反之跳到下一个HookTrampoline,最后一个Trampoline会负责执行回原方法,先执行被JumpTrampoline覆盖掉的指令,再跳转到原方法下一条指令。 Backup方法不再备份Target方法,这里命名为Forward方法,这是一个静态native方法,一方面可以阻止被内联,另一方面也表明该方法仅仅起到forward作用,没有方法体,也不会被调用。Forward方法Entrypoint替换为TargetTrampoline,该Trampoline实现调用原方法逻辑。这样便可以完美解决方法解析与Moving GC问题

  • EntryPoint模式实现

Hook部分与YAHFA一致,调用原方法部分与Inline模式类似,使用替换Forward方法EntryPoint实现,不过这里替换EntryPoint为art_quick_to_interpreter_bridge,这样既能解决方法解析与Moving GC,也能规避native code与dex code映射的问题

  • 方法编译

为了实现Inline Hook,需要一种方法将方法编译成本地代码。这里用libart-compiler.so提供的jit_compile_method方法进行编译,在7.0之后Android限制了dlopen等函数的调用,这里用fake_dlfcn代替。有一点需要注意,不要用当前线程编译,JIT编译时会改变Thread状态,checkpoint时有概率会crash,这里新起一个线程用来编译

  • Hook安全

下列情况下可能会改变方法EntryPoint:
  1. 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 )
无论是Inline模式还是EntryPoint替换模式,都要避免EntryPoint被改变。因此在Hook之前就需要判断JIT状态,如果当前方法正在JIT编译或者等待JIT编译,就需要等待JIT编译完成,如果是未编译或已编译完成,可直接Hook。另外,Inline模式需要覆盖原方法指令,因此就需要保证在覆盖方法指令时,没有其他线程进入该方法区域。可以通过暂停其他所有线程来实现,但是这种方法太重了,这里我在覆盖指令前,将Target方法EntryPoint替换为 art_quick_to_interpreter_bridge ,避免了之后访问需要覆盖的方法区,在覆盖完成后恢复Target方法EntryPoint

  • Inline模式Hook失败

有几种情况下,Inline模式不能Hook:
  1. JIT编译失败
  2. 编译的方法指令长度小于JumpTrampoline长度
  3. Native方法
发现上诉三种情况,一律用EntryPoint替换模式

  • 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

  • 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。

  • 指令修复

Inline模式需要处理pc related指令,这里并不进行实际修复,只需要判断覆盖的指令是否包含有pc related指令,如果包含就使用EntryPoint模式。

  • 方法内联

无论哪种模式,方法内联都可以让Hook失效,因此我们需要想方设法禁止内联。先看看什么情况下方法不被内联。
//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;
  }
看起来就只有改inline_max_code_units比较保险,这里改为0,也就是所有方法都不内联了。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。OSR也无能为力

四、使用FastHook

  • 提供HookInfo

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

public static String[][] HOOK_ITEMS = {
             mHookItem
};
注意事项:
  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

  • 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)

//插件式Hook,建议在attachBaseContext方法里调用
FastHookManger.doHook("hookInfoClassName",pluginsClassloader,null,pluginsClassloader,pluginsClassloader,false);

//内置Hook,建议在attachBaseContext方法里调用
FastHookManger.doHook("hookInfoClassName",null,null,null,null,false);

//如果能修改framework代码,或者是一些插件框架,在handleBindApplication方法里合适的地方调用,一般在加载apk后,调用attachBaseContext前
FastHookManger.doHook("hookInfoClassName",pluginsClassloader,apkClassLoader,pluginsClassloader,pluginsClassloader,false);

  • 支持Android版本

5.0 - 9.0

  • 支持架构

Thumb2
Arm64

五、参考

YAHFA
Nougat_dlfunctions




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最后于 2019-3-11 22:44 被图灵技师编辑 ,原因:
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赞赏  乐宝daddy   +5.00 2019/03/19
最新回复 (14)
junkboy 2019-3-9 16:16
2
0
支持                
Vn小帆 2019-3-9 17:22
3
0
支持一下子    有没有 demo上传个啊
图灵技师 1 2019-3-9 21:15
4
0
Vn小帆 支持一下子 有没有 demo上传个啊
如果说的是框架的demo,文章开头的github上就是
Tennn 5 2019-3-9 22:59
5
0
支持一个 
乐宝daddy 2019-3-11 10:16
6
0
好强大。demo 不用root就能hook成功么?
阿兹卡班班长 2019-3-11 10:21
7
0
刚好用到,感谢
DWwinter 2019-3-11 13:25
8
0
支持一下
CCkicker 2019-3-12 10:59
9
0
感谢分享哈~ 设置优秀 鼓励一下
menglinxi 2019-3-12 12:27
10
0
厉害了,大神
menglinxi 2019-3-14 09:28
11
0
不过,没有教程吗?
图灵技师 1 2019-3-14 13:11
12
0
menglinxi 不过,没有教程吗?
说的是用框架去做Hook实际应用的例子吗?那我再做个结合VirtualApp免root hook的样例
ydshk 2019-3-15 12:50
13
0
支持
cnlife 2019-3-15 20:01
14
0
很复杂,能免root hook。确实强大。
图灵技师 1 2019-3-16 17:57
15
0
写了个结合VirtualApp的样例,可以去看看。https://bbs.pediy.com/thread-250119.htm
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