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Android Linker详解
2021-10-15 13:55 3151

Android Linker详解

2021-10-15 13:55
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Android Linker详解

本文目的

Unidbg在对So进行模拟执行的时候,需要先将So文件加载到内存,配置So的进程映像,然后使用CPU模拟器(Unicorn、Dynamic等)对So进行模拟执行。本文的目的是为了彻底搞懂So文件是如何加载到内存的,以及加载进内存之后做了什么,史无巨细,握住方向盘

Linker入口

我们在Android程序中,往往会使用到JNI编程来加快某些算法的运行或增加APP的逆向难度。当然这不是Android的新特性,它是Java自带的本地编程接口,可以使我们的Java程序能够调用本地语言。

 

当我们在Android程序想使用本地编译的So库,第一步就是要将So加载进来对吧,Android Studio创建C/C++ Native模板的时候,它会在我们的MainActivity类中加这么一段代码

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static{
    System.loadLibrary("native-lib");
}

这句代码的作用就是将So加载进来供Android程序来使用,所以以此为入口,开始分析

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/libcore/luni/src/main/java/java/lang/System.java#525

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public static void loadLibrary(String libName) {
    Runtime.getRuntime().loadLibrary(libName, VMStack.getCallingClassLoader());
}

又调用了Runtime类的loadLibrary,第二个参数为调用类的ClassLoader

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/libcore/luni/src/main/java/java/lang/Runtime.java#354

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void loadLibrary(String libraryName, ClassLoader loader) {
    if (loader != null) {
        //调用findLibrary通过名称("native-lib")寻找真实库文件名
        String filename = loader.findLibrary(libraryName);
        if (filename == null) {
            throw new UnsatisfiedLinkError("...");
        }
        //如果找到了,进行加载
        String error = doLoad(filename, loader);
        if (error != null) {
            throw new UnsatisfiedLinkError(error);
        }
        return;
    }
 
    String filename = System.mapLibraryName(libraryName);
    List<String> candidates = new ArrayList<String>();
    String lastError = null;
    for (String directory : mLibPaths) {
        String candidate = directory + filename;
        candidates.add(candidate);
 
        if (IoUtils.canOpenReadOnly(candidate)) {
            //这里是还有其他的路径来搜索我们的库文件名,都是调用doLoad方法
            String error = doLoad(candidate, loader);
            if (error == null) {
                return; // We successfully loaded the library. Job done.
            }
            lastError = error;
        }
    }
 
    if (lastError != null) {
        throw new UnsatisfiedLinkError(lastError);
    }
    throw new UnsatisfiedLinkError("Library " + libraryName + " not found; tried " + candidates);
}

接着看doLoad方法

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/libcore/luni/src/main/java/java/lang/Runtime.java#393

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private String doLoad(String name, ClassLoader loader) {
    String ldLibraryPath = null;
    if (loader != null && loader instanceof BaseDexClassLoader) {
        //如果是BaseDexClassLoader,获取系统so的路径
        ldLibraryPath = ((BaseDexClassLoader) loader).getLdLibraryPath();
    }
    synchronized (this) {
        //继续调用nativeLoad,还加了同步锁
        return nativeLoad(name, loader, ldLibraryPath);
    }
}

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/libcore/luni/src/main/java/java/lang/Runtime.java#426

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private static native String nativeLoad(String filename, ClassLoader loader, String ldLibraryPath);

继续往下分析,找到nativeLoad对应的C层函数

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/art/runtime/native/java_lang_Runtime.cc#43

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static jstring Runtime_nativeLoad(JNIEnv* env, jclass, jstring javaFilename, jobject javaLoader, jstring javaLdLibraryPath) {
  //...各种检查
  mirror::ClassLoader* classLoader = soa.Decode<mirror::ClassLoader*>(javaLoader);
  std::string detail;
  JavaVMExt* vm = Runtime::Current()->GetJavaVM();
  bool success = vm->LoadNativeLibrary(filename.c_str(), classLoader, detail);
  if (success) {
    return NULL;
  }
 
  // Don't let a pending exception from JNI_OnLoad cause a CheckJNI issue with NewStringUTF.
  env->ExceptionClear();
  return env->NewStringUTF(detail.c_str());
}

最关键的函数是vm->LoadNativeLibrary,继续往下跟

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/art/runtime/jni_internal.cc#3120

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bool JavaVMExt::LoadNativeLibrary(const std::string& path, ClassLoader* class_loader,
                                  std::string& detail) {
    //...
    self->TransitionFromRunnableToSuspended(kWaitingForJniOnLoad);
    //调用dlopen加载So,并返回一个handle句柄
    void* handle = dlopen(path.empty() ? NULL : path.c_str(), RTLD_LAZY);
    self->TransitionFromSuspendedToRunnable();
 
    VLOG(jni) << "[Call to dlopen(\"" << path << "\", RTLD_LAZY) returned " << handle << "]";
    //...
    //此时如果So加载正常,会调用dlsym查找JNI_OnLoad符号,并执行
    void* sym = dlsym(handle, "JNI_OnLoad");
    if (sym == NULL) {
        VLOG(jni) << "[No JNI_OnLoad found in \"" << path << "\"]";
        was_successful = true;
    } else {
    }
    typedef int (*JNI_OnLoadFn)(JavaVM*, void*);
    JNI_OnLoadFn jni_on_load = reinterpret_cast<JNI_OnLoadFn>(sym);
    ClassLoader* old_class_loader = self->GetClassLoaderOverride();
    self->SetClassLoaderOverride(class_loader);
    int version = 0;
    {
        ScopedThreadStateChange tsc(self, kNative);
        VLOG(jni) << "[Calling JNI_OnLoad in \"" << path << "\"]";
        //在这里调用JNIOnload
        version = (*jni_on_load)(this, NULL);
    }
    //...
    library->SetResult(was_successful);
    return was_successful;
}

我们分析上面的函数知道,此函数主要做了两件事

  • 调用dlopen加载So
  • 查找So中的JNI_OnLoad函数,并执行
    继续往下分析dlopen

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/bionic/linker/dlfcn.cpp#63

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void* dlopen(const char* filename, int flags) {
  ScopedPthreadMutexLocker locker(&gDlMutex);
  soinfo* result = do_dlopen(filename, flags);
  if (result == NULL) {
    __bionic_format_dlerror("dlopen failed", linker_get_error_buffer());
    return NULL;
  }
  return result;
}

调用了do_dlopen

So的装载

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/bionic/linker/linker.cpp#823

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soinfo* do_dlopen(const char* name, int flags) {
  if ((flags & ~(RTLD_NOW|RTLD_LAZY|RTLD_LOCAL|RTLD_GLOBAL)) != 0) {
    DL_ERR("invalid flags to dlopen: %x", flags);
    return NULL;
  }
  set_soinfo_pool_protection(PROT_READ | PROT_WRITE);
  soinfo* si = find_library(name);
  if (si != NULL) {
    si->CallConstructors();
  }
  set_soinfo_pool_protection(PROT_READ);
  return si;
}

分析到这里,终于进入Linker部分了,上面的篇幅我们由System.loadLibrary()方法,找到了Linker的do_dlopen函数,这个函数就可以说是Linker开始加载的地方了。这个函数主要做了两件事

  • 调用函数find_library,返回soinfo。soinfo就是so被加载到内存的一个代表,存放了内存中so的信息
  • 调用soinfo的CallConstructors函数,做了一些初始化操作(Iint、init.array)

继续分析find_library

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/bionic/linker/linker.cpp#785

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static soinfo* find_library(const char* name) {
  soinfo* si = find_library_internal(name);
  if (si != NULL) {
    si->ref_count++;
  }
  return si;
}

这个函数的作用很简单

  • 调用find_library_internal
  • so的引用计数+1

继续分析find_library_internal函数

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/bionic/linker/linker.cpp#751

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static soinfo* find_library_internal(const char* name) {
  if (name == NULL) {
    return somain;
  }
  //寻找已经加载过的so,当我们的so被加载完成后,会放到已加载列表,再次调用System.loadLibrary的时候不需要进行二次加载
  soinfo* si = find_loaded_library(name);
  if (si != NULL) {
    if (si->flags & FLAG_LINKED) {
      return si;
    }
    DL_ERR("OOPS: recursive link to \"%s\"", si->name);
    return NULL;
  }
 
  TRACE("[ '%s' has not been loaded yet.  Locating...]", name);
  //如果没有被加载过,就调用load_library进行加载
  si = load_library(name);
  if (si == NULL) {
    return NULL;
  }
 
  // At this point we know that whatever is loaded @ base is a valid ELF
  // shared library whose segments are properly mapped in.
  TRACE("[ init_library base=0x%08x sz=0x%08x name='%s' ]",
        si->base, si->size, si->name);
  // so被加载后,进行链接
  if (!soinfo_link_image(si)) {
    munmap(reinterpret_cast<void*>(si->base), si->size);
    soinfo_free(si);
    return NULL;
  }
 
  return si;
}

这个函数主要做了3个事情:

  • 判断想要加载的so是否已经被加载过
  • 如果没有被加载过,调用load_library进行加载
  • 加载完成后,调用soinfo_link_image函数进行链接
    也就体现了我们So装载的主要两个步骤
  • So的装载
  • So的链接
    在上面我们还有一个调用soinfo的CallConstructors函数,这个也可以作为第三个
  • So的初始化

那么我们假设我们的So是第一次进行加载,继续分析load_library函数,看看linker如何装载我们的So

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/bionic/linker/linker.cpp#702

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static soinfo* load_library(const char* name) {
    // 打开So文件,拿到文件描述符fd
    int fd = open_library(name);
    if (fd == -1) {
        DL_ERR("library \"%s\" not found", name);
        return NULL;
    }
 
    //创建ElfReader对象,并调用Load方法
    ElfReader elf_reader(name, fd);
    if (!elf_reader.Load()) {
        return NULL;
    }
    //生成soinfo,并根据elf_reader的结果进行赋值
    const char* bname = strrchr(name, '/');
    soinfo* si = soinfo_alloc(bname ? bname + 1 : name);
    if (si == NULL) {
        return NULL;
    }
    si->base = elf_reader.load_start();
    si->size = elf_reader.load_size();
    si->load_bias = elf_reader.load_bias();
    si->flags = 0;
    si->entry = 0;
    si->dynamic = NULL;
    si->phnum = elf_reader.phdr_count();
    si->phdr = elf_reader.loaded_phdr();
    return si;
}

那么我们主要来分析elf_reader.Load()函数

http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/bionic/linker/linker_phdr.cpp#134

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bool ElfReader::Load() {
  return ReadElfHeader() &&
         VerifyElfHeader() &&
         ReadProgramHeader() &&
         ReserveAddressSpace() &&
         LoadSegments() &&
         FindPhdr();
}

Load函数分别调用了6个函数

  • ReadElfHeader 读取ElfHeader
  • VerifyElfHeader 验证ElfHeader
  • ReadProgramHeader 读取程序头表
  • ReserveAddressSpace 准备地址空间
  • LoadSegments 加载段
  • FindPhdr 寻找Phdr段

从函数名直译,我们也能知道一个大概。下面我们来分析这6个函数

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bool ElfReader::ReadElfHeader() {
  //从我们打开的So文件中,读取header长度的内容赋值到header_
  ssize_t rc = TEMP_FAILURE_RETRY(read(fd_, &header_, sizeof(header_)));
  if (rc < 0) {
    DL_ERR("can't read file \"%s\": %s", name_, strerror(errno));
    return false;
  }
  if (rc != sizeof(header_)) {
    DL_ERR("\"%s\" is too small to be an ELF executable", name_);
    return false;
  }
  return true;
}
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bool ElfReader::VerifyElfHeader() {
  //校验魔数
  if (header_.e_ident[EI_MAG0] != ELFMAG0 ||
      header_.e_ident[EI_MAG1] != ELFMAG1 ||
      header_.e_ident[EI_MAG2] != ELFMAG2 ||
      header_.e_ident[EI_MAG3] != ELFMAG3) {
    DL_ERR("\"%s\" has bad ELF magic", name_);
    return false;
  }
  //因为分析的是Android4.4源码,所以它必须是一个32位的So
  if (header_.e_ident[EI_CLASS] != ELFCLASS32) {
    DL_ERR("\"%s\" not 32-bit: %d", name_, header_.e_ident[EI_CLASS]);
    return false;
  }
  //必须为小端字节序
  if (header_.e_ident[EI_DATA] != ELFDATA2LSB) {
    DL_ERR("\"%s\" not little-endian: %d", name_, header_.e_ident[EI_DATA]);
    return false;
  }
  //必须为ET_DYN,也就是我们的Shared Object So文件
  if (header_.e_type != ET_DYN) {
    DL_ERR("\"%s\" has unexpected e_type: %d", name_, header_.e_type);
    return false;
  }
  // version当前版本,这个一般都是EV_CURRENT(1)
  if (header_.e_version != EV_CURRENT) {
    DL_ERR("\"%s\" has unexpected e_version: %d", name_, header_.e_version);
    return false;
  }
  // 校验e_machine
  if (header_.e_machine !=
#ifdef ANDROID_ARM_LINKER
      EM_ARM
#elif defined(ANDROID_MIPS_LINKER)
      EM_MIPS
#elif defined(ANDROID_X86_LINKER)
      EM_386
#endif
  ) {
    DL_ERR("\"%s\" has unexpected e_machine: %d", name_, header_.e_machine);
    return false;
  }
  return true;
}
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bool ElfReader::ReadProgramHeader() {
  //e_phnum 为我们So的程序头表(段)数,后面我们都叫段,是一个意思
  phdr_num_ = header_.e_phnum;
 
  // Like the kernel, we only accept program header tables that
  // are smaller than 64KiB.
  if (phdr_num_ < 1 || phdr_num_ > 65536/sizeof(Elf32_Phdr)) {
    DL_ERR("\"%s\" has invalid e_phnum: %d", name_, phdr_num_);
    return false;
  }
  //e_phoff 为我们段表在文件中的偏移, 然后进行内存页对其
  Elf32_Addr page_min = PAGE_START(header_.e_phoff);
  Elf32_Addr page_max = PAGE_END(header_.e_phoff + (phdr_num_ * sizeof(Elf32_Phdr)));
  Elf32_Addr page_offset = PAGE_OFFSET(header_.e_phoff);
  // 在Linux中内存读写都是以页为单位,所以上面按照存放段的位置,算出了需要的页大小
  // page_offset就是段在该页的一个偏移
 
  phdr_size_ = page_max - page_min;
  //将该包含段表的页映射到内存
  void* mmap_result = mmap(NULL, phdr_size_, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd_, page_min);
  if (mmap_result == MAP_FAILED) {
    DL_ERR("\"%s\" phdr mmap failed: %s", name_, strerror(errno));
    return false;
  }
 
  phdr_mmap_ = mmap_result;
  // phdr_table_ 就指向了段表在内存中的起始位置
  phdr_table_ = reinterpret_cast<Elf32_Phdr*>(reinterpret_cast<char*>(mmap_result) + page_offset);
  return true;
}
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bool ElfReader::ReserveAddressSpace() {
  //此时段表已经被加载到内存
  Elf32_Addr min_vaddr;
  //先获取该So的load_size,也就是需要加载的大小,先看下面对该函数的解释
  load_size_ = phdr_table_get_load_size(phdr_table_, phdr_num_, &min_vaddr);
  if (load_size_ == 0) {
    DL_ERR("\"%s\" has no loadable segments", name_);
    return false;
  }
 
  uint8_t* addr = reinterpret_cast<uint8_t*>(min_vaddr);
  int mmap_flags = MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS;
  //根据PT_LOAD段的指示,匿名映射一块足够装下我们So的内存
  void* start = mmap(addr, load_size_, PROT_NONE, mmap_flags, -1, 0);
  if (start == MAP_FAILED) {
    DL_ERR("couldn't reserve %d bytes of address space for \"%s\"", load_size_, name_);
    return false;
  }
  load_start_ = start;
  //这里需要注意一下,start为我们映射出来的那块内存的起始地址,按理说它就是我们So加载的一个起始地址
  //那这里又计算了一个load_bias_是什么意思呢?
  //So文件并没有对p_vaddr有特殊要求,所以它可以是任意地址,如果它指定了一个最小的虚拟地址不为0
  //那么文件中的关于地址的引用就是根据它指定的虚拟地址来的
  //所以我们在后面进行对地址修正的时候,就要计算 start - min_addr来得到正确的值
  //所以这里计算了load_bias_, 后面关于地址引用的地方,我们都用这个load_bias_就可以了
  //举个例子:假设一个So中的PT_LOAD段指定的最小虚拟地址min_vaddr = 0x100
  //那么如果这个So中的一个函数中引用了一个地址为0x300地方的字符串
  //那这个字符串在实际文件中的偏移就是0x200 = 0x300 - 0x100
  //当So加载到内存中,需要对这个函数中的引用做重定位的时候,就应该这样计算
  //start + 0x300 - 0x100 <==> start - 0x100  + 0x300
  //每次在计算的时候都要-0x100,所以这里就计算了一个load_bias_ = start - 0x100
  //后面直接用这个load_bias_ + 0x300(地址引用偏移) 就可以了
  load_bias_ = reinterpret_cast<uint8_t*>(start) - addr;
  return true;
}
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size_t phdr_table_get_load_size(const Elf32_Phdr* phdr_table,
                                size_t phdr_count,
                                Elf32_Addr* out_min_vaddr,
                                Elf32_Addr* out_max_vaddr)
{
    Elf32_Addr min_vaddr = 0xFFFFFFFFU;
    Elf32_Addr max_vaddr = 0x00000000U;
 
    bool found_pt_load = false;
    //遍历我们的段表
    for (size_t i = 0; i < phdr_count; ++i) {
        const Elf32_Phdr* phdr = &phdr_table[i];
        //只处理PT_LOAD段,因为PT_LOAD段说明了我们的So应该怎么加载
        if (phdr->p_type != PT_LOAD) {
            continue;
        }
        found_pt_load = true;
        //遍历所有的PT_LOAD段,寻找So指定的最小的一个虚拟地址
        if (phdr->p_vaddr < min_vaddr) {
            min_vaddr = phdr->p_vaddr;
        }
        //遍历所有的PT_LOAD段,寻找So指定的要加载到内存的最大的一个虚拟地址
        if (phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz > max_vaddr) {
            max_vaddr = phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz;
        }
    }
    if (!found_pt_load) {
        min_vaddr = 0x00000000U;
    }
    //So文件并没有对p_vaddr有特殊要求,所以这里需要页对齐
    min_vaddr = PAGE_START(min_vaddr);
    max_vaddr = PAGE_END(max_vaddr);
 
    if (out_min_vaddr != NULL) {
        *out_min_vaddr = min_vaddr;
    }
    if (out_max_vaddr != NULL) {
        *out_max_vaddr = max_vaddr;
    }
    //最大-最小拿到该So加载到内存的一个size
    return max_vaddr - min_vaddr;
}
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//上面ReserveAddressSpace函数,只是开辟了一块足够的内存,并没有内容
//这个函数就在填充内容
bool ElfReader::LoadSegments() {
  for (size_t i = 0; i < phdr_num_; ++i) {
    const Elf32_Phdr* phdr = &phdr_table_[i];
    //还是在遍历每一个PT_LOAD段
    if (phdr->p_type != PT_LOAD) {
      continue;
    }
 
    // 计算该PT_LOAD段在内存中的开始地址和结束地址
    Elf32_Addr seg_start = phdr->p_vaddr + load_bias_;
    Elf32_Addr seg_end   = seg_start + phdr->p_memsz;
 
    Elf32_Addr seg_page_start = PAGE_START(seg_start);
    Elf32_Addr seg_page_end   = PAGE_END(seg_end);
    //计算该PT_LOAD段在内存中对应文件的结束位置
    Elf32_Addr seg_file_end   = seg_start + phdr->p_filesz;
 
    //文件中的偏移
    Elf32_Addr file_start = phdr->p_offset;
    Elf32_Addr file_end   = file_start + phdr->p_filesz;
 
    Elf32_Addr file_page_start = PAGE_START(file_start);
    Elf32_Addr file_length = file_end - file_page_start;
 
    if (file_length != 0) {
      //将该PT_LOAD段的实际内容页对齐后映射到内存中
      void* seg_addr = mmap((void*)seg_page_start,
                            file_length,
                            PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),
                            MAP_FIXED|MAP_PRIVATE,
                            fd_,
                            file_page_start);
      if (seg_addr == MAP_FAILED) {
        DL_ERR("couldn't map \"%s\" segment %d: %s", name_, i, strerror(errno));
        return false;
      }
    }
 
    //如果该段的权限可写且该段指定的文件大小并不是页边界对齐的,就要对页内没有文件与之对应的区域置0
    if ((phdr->p_flags & PF_W) != 0 && PAGE_OFFSET(seg_file_end) > 0) {
      memset((void*)seg_file_end, 0, PAGE_SIZE - PAGE_OFFSET(seg_file_end));
    }
 
    seg_file_end = PAGE_END(seg_file_end);
 
    // 如果该段指定的内存大小超出了文件映射的页面,就要对多出的页进行匿名映射
    // 防止出现Bus error的情况
    if (seg_page_end > seg_file_end) {
      void* zeromap = mmap((void*)seg_file_end,
                           seg_page_end - seg_file_end,
                           PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),
                           MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE,
                           -1,
                           0);
      if (zeromap == MAP_FAILED) {
        DL_ERR("couldn't zero fill \"%s\" gap: %s", name_, strerror(errno));
        return false;
      }
    }
  }
  return true;
}
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//这个函数看看就可以,就是在找PT_PHDR段并检查,此段指定了段表本身的位置和大小
bool ElfReader::FindPhdr() {
  const Elf32_Phdr* phdr_limit = phdr_table_ + phdr_num_;
 
  // If there is a PT_PHDR, use it directly.
  for (const Elf32_Phdr* phdr = phdr_table_; phdr < phdr_limit; ++phdr) {
    if (phdr->p_type == PT_PHDR) {
      return CheckPhdr(load_bias_ + phdr->p_vaddr);
    }
  }
  for (const Elf32_Phdr* phdr = phdr_table_; phdr < phdr_limit; ++phdr) {
    if (phdr->p_type == PT_LOAD) {
      if (phdr->p_offset == 0) {
        Elf32_Addr  elf_addr = load_bias_ + phdr->p_vaddr;
        const Elf32_Ehdr* ehdr = (const Elf32_Ehdr*)(void*)elf_addr;
        Elf32_Addr  offset = ehdr->e_phoff;
        return CheckPhdr((Elf32_Addr)ehdr + offset);
      }
      break;
    }
  }
  DL_ERR("can't find loaded phdr for \"%s\"", name_);
  return false;
}

至此 So的装载部分就分析完了

总结

总结一下So的装载就是根据So的文件信息,先读入So的头部信息,并进行验证。然后找到段表的位置,遍历段表的每一个段,根据PT_LOAD段指定的信息将So进行装载,如果我们要模拟这个过程,只需要注意一下细节就可以了。相对于So的装载,更难的部分是So的动态链接,我们另起一篇文章来讲解So的动态链接。如果觉得本篇文章对您有用,可以扫码加入我们的星球,不定期分享各种最新的技术

 


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