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[原创]JNINativeInterfaceHook & trace
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2015-5-7 19:28
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0x00 概述
JNINativeInterface Hook指的是：HOOK JNI接口提供的方法，名字取得有点挫，暂时这样吧。HOOK JNI接口方法，trace 函数调用，使得APP JAVA与Native层的交互更加清晰，便于分析。下面，小弟将讲解HOOK的思路来源及实现，并通过2015年ALICTF第四题APK作为实例，感受下trace JNI接口的魅力。限于水平，难免会有疏漏和错误之处，请各位大大斧正，小弟感激不尽。
0x01 思路来源
有过NDK开发的读者都知道，比如NewStringUTF，调用时的C形式是：(*env)->NewStringUTF(env, “xxx”)，其汇编形式: mov Ry, [Rx, #0x29c]; blx Ry。不难发现，*env指向了一个JNI接口的函数表：struct JNINativeInterface gNativeInterface(dalvik/vm/Jni.cpp)。这个表中存放了实际各种JNI接口函数指针，那么HOOK的基本思路就是替换这个表中的函数指针。
0x02 JNINativeInterface Hook
1. JNIEnv背后的秘密
在Dalvik虚拟机启动过程中，会调用dvmCreateJNIEnv方法创建JNIEnv：
JNIEnv* dvmCreateJNIEnv(Thread* self) {
JavaVMExt* vm = (JavaVMExt*) gDvmJni.jniVm; //JavaVMExt其实就是Onload方法传入的JavaVM
assert(vm != NULL);
JNIEnvExt* newEnv = (JNIEnvExt*) calloc(1, sizeof(JNIEnvExt));
newEnv->funcTable = &gNativeInterface;
if (self != NULL) {
dvmSetJniEnvThreadId((JNIEnv*) newEnv, self);
assert(newEnv->envThreadId != 0);
} else {
/* make it obvious if we fail to initialize these later */
newEnv->envThreadId = 0x77777775;
newEnv->self = (Thread*) 0x77777779;
}
if (gDvmJni.useCheckJni) {
dvmUseCheckedJniEnv(newEnv);
}
ScopedPthreadMutexLock lock(&vm->envListLock);
newEnv->next = vm->envList;
assert(newEnv->prev == NULL);
if (vm->envList == NULL) {
// rare, but possible
vm->envList = newEnv;
} else {
vm->envList->prev = newEnv; //插入双向链表
}
vm->envList = newEnv;
return (JNIEnv*) newEnv;
}
从return的指针转换可知，JNIEnv实际指向的是JNIEnvEx结构体：
struct JNIEnvExt {
const struct JNINativeInterface* funcTable;
const struct JNINativeInterface* baseFuncTable;
u4 envThreadId;
Thread* self;
int critical;
struct JNIEnvExt* prev;
struct JNIEnvExt* next;
};
newEnv->funcTable = &gNativeInterface;初始化了JNI函数接口指针。另外，在Jni.cpp可以看到声明static const struct JNINativeInterface gNativeInterface，const关键字只是编译器限制，其实际存在放libdvm.so RW segment中，并且其保存的函数指针在加载时还需重定位。故HOOK时无需调用mprotect修改内存权限标示。
此时，JNI函数调用就比较清晰了：(*env)->NewStringUTF(env, “xxx”) -> (env-> funcTable + 0x29c)(env, “xxx”)，和汇编代码完美吻合。
2. Hook实现
了解了JNIEnv背后的真实类型后，那么Hook就简单了。比如：
pOld_NewStringUTF = (*env)->NewStringUTF
(*env)->NewStringUTF = TK_ StringUTF
Jstring TK_StringNewStringUTF(JNIEnv* env, const char *str){
LOGD(“TK”, “HOOK!!!”);
Return pOld_NewStringUTF(env, str);
}
Hook单个函数可以直接这么替换，不过要HOOK一部分或者全部的话，声明一大堆函数指针比较跪。考虑通过声明一个JNIEnvExt结构体实现来保存。这里不能直接声明一个JNInterface结构体，因为不包含Thread等信息。声明的JNIEnvExt需要拷贝当前的JNIEnv的其他信息，即：
memcpy((char*)(pOldJNIEnvExt) + sizeof(struct TK_JNINativeInterface*), (char*)(env) + sizeof(struct TK_JNINativeInterface*), sizeof(struct TK_JNIEnvExt) - sizeof(struct TK_JNINativeInterface*));
另外，JNIEnvExt结构体在不同版本之间也有区别，这点需要注意。不然HOOK去读取Thread等信息时，由于字段偏移不同造成崩溃。
Android2.x:
typedef struct JNIEnvExt {
const struct JNINativeInterface* funcTable;
const struct JNINativeInterface* baseFuncTable;
struct JavaVMExt* vm;
u4 envThreadId;
Thread* self;
int critical;
bool forceDataCopy;
struct JNIEnvExt* prev;
struct JNIEnvExt* next;
}JNIEnvExt;
Android 4.x:
struct JNIEnvExt {
const struct JNINativeInterface* funcTable;
const struct JNINativeInterface* baseFuncTable;
u4 envThreadId;
Thread* self;
int critical;
struct JNIEnvExt* prev;
struct JNIEnvExt* next;
};
另外，一些JNI接口函数调用时支持变参，现考虑如何获取参数。比如方法：
jobject (JNICALL *CallObjectMethod)
(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, ...);
jobject (JNICALL *CallObjectMethodV)
(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, va_list args);
对于大多数开发者而言，通过习惯使用CallObjectMethod这种变参形式。其编译后实际会被转换为CallObjectMethodV这种形式，这点通过HOOK来验证。通过va_arg(va_list, type)可以获得各个参数，在stdarg.h中可以看到，va_arg其实际通过宏定义实现。不过还是没有解决一个问题，那就是参数个数。
Va_arg虽然可以获取下一个参数，不过并没有说明现在方法有多少个参数，那Dalvik虚拟机执行时是如何知道的呢？熟悉jmethod结构的读者可能已经想到，通过Method结构体的字段来表示。这里选择shorty字段，shorty字段第一个存放了返回类型的字符缩写，其后存放了各个参数类型，非基本类型用’L’表示。通过解析shorty字符串，即可获得参数类型和个数。另外，由于变参通过栈上传递，栈上4字节对其，取short等类型时，通过va_arg(va_list, jint)来取得。在本机测试时，由于float类型和double类型的取得存在问题，通过va_arg(va_list, jint)和va_arg(va_list, jlong)实现。
这里在啰嗦下，如果需要修改参数的值，需要采用类似调用点检测的方法来实现。虽然args其实际为一个指向栈上指针，由于va_list的宏展开编译时会引起一些异常。这里，通过GETR3汇编宏直接获取R3的值，其实也就是args的值。有了这个指针，即可修改调用参数。
另外，由于这些方法也被系统调用，故需要过滤。根据调用点地址，过滤掉从libdvm.so和libnativehelper.so中的调用，减少log的数量。
0x03 实例分析
在通过log分析ALICTF第四题时，先说明下log的格式：
[0x80c15971] CallObjectMethodV(0x40519d00, 0x427c4110, [I:0x0][L:0x405216f0]) [0x4051fe38]
0x80c15971 调用点
0x40519d00 jclazz or jobject
0x427c4110 jmethod
[I:0x0][L:0x405216f0] 两个参数，第一个参数类型int，第二个为非基本类型
0x4051fe38 返回值
此APK经过dex加固和SO加固，先脱出dex文件打开。其中包含你好中国各种native方法：
图 1
各个类中有都调用了这个类中的native方法，即JAVA层和Native层频繁交互。到这里可以猜测，将java直接调用的方法，通过Native间接调用，模糊调用流程。
不过还是可以锁定btn的onclick方法：
图 2
不难发现，__bb方法即是verify方法。
到这里，基本分析完毕。现在需要解决一个很棘手的问题：这些native函数的地址，即找到Native函数。由于SO被加壳，而且汇编代码存在混淆，直接跟出代码费事费力。现在使用Hook trace下：
图 3
各种Native方法已经吐出来了。另外，加载过程的调用也已经trace到：
图4
找到了各个native函数，再任意输入查看调用(部分截图)：
图 5
调用Base64参数：
[0x80c59851] FindClass(android/util/Base64) [0x40538928]
[0x80c59781] GetStaticMethodID(0x40538928, decode, (Ljava/lang/String;I)[B) [0x4297fef0]
[0x80c1591f] CallStaticObjectMethodV(0x40538928, 0x4297fef0, [L:0x4053a540][I:0x0]) [0x4053a620]
返回的0x4053a620后面被用于验证：
[0x80c8e8a1] FindClass(你好中国) [0x405209f8]
[0x80c8e9cf] GetStaticMethodID(0x405209f8, __x, ([B[B)Z) [0x42974578]
[0x80c31633] CallStaticBooleanMethodV(0x405209f8, 0x42974578, [L:0x4053a220][L:0x4053a620]) [False] //比较
比较的返回值为False，已经很明显了吧。。。
限于篇幅，就不详细分析了吧，直接根据log和简单的动态调试即可获得答案：wsfduj。有兴趣的读者自己试试。
鉴于之前发动态链接库有小伙伴说难用，直接上静态链接库文件。
0x04 参考文献
老罗：Dalvik虚拟机的运行过程分析
Dalvik Jni相关源码
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0x00 概述
JNINativeInterface Hook指的是：HOOK JNI接口提供的方法，名字取得有点挫，暂时这样吧。HOOK JNI接口方法，trace 函数调用，使得APP JAVA与Native层的交互更加清晰，便于分析。下面，小弟将讲解HOOK的思路来源及实现，并通过2015年ALICTF第四题APK作为实例，感受下trace JNI接口的魅力。限于水平，难免会有疏漏和错误之处，请各位大大斧正，小弟感激不尽。
0x01 思路来源
有过NDK开发的读者都知道，比如NewStringUTF，调用时的C形式是：(*env)->NewStringUTF(env, “xxx”)，其汇编形式: mov Ry, [Rx, #0x29c]; blx Ry。不难发现，*env指向了一个JNI接口的函数表：struct JNINativeInterface gNativeInterface(dalvik/vm/Jni.cpp)。这个表中存放了实际各种JNI接口函数指针，那么HOOK的基本思路就是替换这个表中的函数指针。
0x02 JNINativeInterface Hook
1. JNIEnv背后的秘密
在Dalvik虚拟机启动过程中，会调用dvmCreateJNIEnv方法创建JNIEnv：
JNIEnv* dvmCreateJNIEnv(Thread* self) {
JavaVMExt* vm = (JavaVMExt*) gDvmJni.jniVm; //JavaVMExt其实就是Onload方法传入的JavaVM
assert(vm != NULL);
JNIEnvExt* newEnv = (JNIEnvExt*) calloc(1, sizeof(JNIEnvExt));
newEnv->funcTable = &gNativeInterface;
if (self != NULL) {
dvmSetJniEnvThreadId((JNIEnv*) newEnv, self);
assert(newEnv->envThreadId != 0);
} else {
/* make it obvious if we fail to initialize these later */
newEnv->envThreadId = 0x77777775;
newEnv->self = (Thread*) 0x77777779;
}
if (gDvmJni.useCheckJni) {
dvmUseCheckedJniEnv(newEnv);
}
ScopedPthreadMutexLock lock(&vm->envListLock);
newEnv->next = vm->envList;
assert(newEnv->prev == NULL);
if (vm->envList == NULL) {
// rare, but possible
vm->envList = newEnv;
} else {
vm->envList->prev = newEnv; //插入双向链表
}
vm->envList = newEnv;
return (JNIEnv*) newEnv;
}
从return的指针转换可知，JNIEnv实际指向的是JNIEnvEx结构体：
struct JNIEnvExt {
const struct JNINativeInterface* funcTable;
const struct JNINativeInterface* baseFuncTable;
u4 envThreadId;
Thread* self;
int critical;
struct JNIEnvExt* prev;
struct JNIEnvExt* next;
};
newEnv->funcTable = &gNativeInterface;初始化了JNI函数接口指针。另外，在Jni.cpp可以看到声明static const struct JNINativeInterface gNativeInterface，const关键字只是编译器限制，其实际存在放libdvm.so RW segment中，并且其保存的函数指针在加载时还需重定位。故HOOK时无需调用mprotect修改内存权限标示。
此时，JNI函数调用就比较清晰了：(*env)->NewStringUTF(env, “xxx”) -> (env-> funcTable + 0x29c)(env, “xxx”)，和汇编代码完美吻合。
2. Hook实现
了解了JNIEnv背后的真实类型后，那么Hook就简单了。比如：
pOld_NewStringUTF = (*env)->NewStringUTF
(*env)->NewStringUTF = TK_ StringUTF
Jstring TK_StringNewStringUTF(JNIEnv* env, const char *str){
LOGD(“TK”, “HOOK!!!”);
Return pOld_NewStringUTF(env, str);
}
Hook单个函数可以直接这么替换，不过要HOOK一部分或者全部的话，声明一大堆函数指针比较跪。考虑通过声明一个JNIEnvExt结构体实现来保存。这里不能直接声明一个JNInterface结构体，因为不包含Thread等信息。声明的JNIEnvExt需要拷贝当前的JNIEnv的其他信息，即：
memcpy((char*)(pOldJNIEnvExt) + sizeof(struct TK_JNINativeInterface*), (char*)(env) + sizeof(struct TK_JNINativeInterface*), sizeof(struct TK_JNIEnvExt) - sizeof(struct TK_JNINativeInterface*));
另外，JNIEnvExt结构体在不同版本之间也有区别，这点需要注意。不然HOOK去读取Thread等信息时，由于字段偏移不同造成崩溃。
Android2.x:
typedef struct JNIEnvExt {
const struct JNINativeInterface* funcTable;
const struct JNINativeInterface* baseFuncTable;
struct JavaVMExt* vm;
u4 envThreadId;
Thread* self;
int critical;
bool forceDataCopy;
struct JNIEnvExt* prev;
struct JNIEnvExt* next;
}JNIEnvExt;
Android 4.x:
struct JNIEnvExt {
const struct JNINativeInterface* funcTable;
const struct JNINativeInterface* baseFuncTable;
u4 envThreadId;
Thread* self;
int critical;
struct JNIEnvExt* prev;
struct JNIEnvExt* next;
};
另外，一些JNI接口函数调用时支持变参，现考虑如何获取参数。比如方法：
jobject (JNICALL *CallObjectMethod)
(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, ...);
jobject (JNICALL *CallObjectMethodV)
(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, va_list args);
对于大多数开发者而言，通过习惯使用CallObjectMethod这种变参形式。其编译后实际会被转换为CallObjectMethodV这种形式，这点通过HOOK来验证。通过va_arg(va_list, type)可以获得各个参数，在stdarg.h中可以看到，va_arg其实际通过宏定义实现。不过还是没有解决一个问题，那就是参数个数。
Va_arg虽然可以获取下一个参数，不过并没有说明现在方法有多少个参数，那Dalvik虚拟机执行时是如何知道的呢？熟悉jmethod结构的读者可能已经想到，通过Method结构体的字段来表示。这里选择shorty字段，shorty字段第一个存放了返回类型的字符缩写，其后存放了各个参数类型，非基本类型用’L’表示。通过解析shorty字符串，即可获得参数类型和个数。另外，由于变参通过栈上传递，栈上4字节对其，取short等类型时，通过va_arg(va_list, jint)来取得。在本机测试时，由于float类型和double类型的取得存在问题，通过va_arg(va_list, jint)和va_arg(va_list, jlong)实现。
这里在啰嗦下，如果需要修改参数的值，需要采用类似调用点检测的方法来实现。虽然args其实际为一个指向栈上指针，由于va_list的宏展开编译时会引起一些异常。这里，通过GETR3汇编宏直接获取R3的值，其实也就是args的值。有了这个指针，即可修改调用参数。
另外，由于这些方法也被系统调用，故需要过滤。根据调用点地址，过滤掉从libdvm.so和libnativehelper.so中的调用，减少log的数量。
0x03 实例分析
在通过log分析ALICTF第四题时，先说明下log的格式：
[0x80c15971] CallObjectMethodV(0x40519d00, 0x427c4110, [I:0x0][L:0x405216f0]) [0x4051fe38]
0x80c15971 调用点
0x40519d00 jclazz or jobject
0x427c4110 jmethod
[I:0x0][L:0x405216f0] 两个参数，第一个参数类型int，第二个为非基本类型
0x4051fe38 返回值
此APK经过dex加固和SO加固，先脱出dex文件打开。其中包含你好中国各种native方法：
图 1
各个类中有都调用了这个类中的native方法，即JAVA层和Native层频繁交互。到这里可以猜测，将java直接调用的方法，通过Native间接调用，模糊调用流程。
不过还是可以锁定btn的onclick方法：
图 2
不难发现，__bb方法即是verify方法。
到这里，基本分析完毕。现在需要解决一个很棘手的问题：这些native函数的地址，即找到Native函数。由于SO被加壳，而且汇编代码存在混淆，直接跟出代码费事费力。现在使用Hook trace下：
图 3
各种Native方法已经吐出来了。另外，加载过程的调用也已经trace到：
图4
找到了各个native函数，再任意输入查看调用(部分截图)：
图 5
调用Base64参数：
[0x80c59851] FindClass(android/util/Base64) [0x40538928]
[0x80c59781] GetStaticMethodID(0x40538928, decode, (Ljava/lang/String;I)[B) [0x4297fef0]
[0x80c1591f] CallStaticObjectMethodV(0x40538928, 0x4297fef0, [L:0x4053a540][I:0x0]) [0x4053a620]
返回的0x4053a620后面被用于验证：
[0x80c8e8a1] FindClass(你好中国) [0x405209f8]
[0x80c8e9cf] GetStaticMethodID(0x405209f8, __x, ([B[B)Z) [0x42974578]
[0x80c31633] CallStaticBooleanMethodV(0x405209f8, 0x42974578, [L:0x4053a220][L:0x4053a620]) [False] //比较
比较的返回值为False，已经很明显了吧。。。
限于篇幅，就不详细分析了吧，直接根据log和简单的动态调试即可获得答案：wsfduj。有兴趣的读者自己试试。
鉴于之前发动态链接库有小伙伴说难用，直接上静态链接库文件。
0x04 参考文献
老罗：Dalvik虚拟机的运行过程分析
Dalvik Jni相关源码
[培训]内核驱动高级班，冲击BAT一流互联网大厂工作，每周日13:00-18:00直播授课
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tk大大又来分享干货了
赞一个～
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额，调用点宏必须放在HOOK函数入口，只能一个一个写了。。。
多谢指点了！ （用shorty正好同时直接解决参数类型和个数）
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额，我没怎么研究过这方面，不好意思。
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是的。
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多谢反馈。 帖子里面这点没说明白，需要将原jni函数表的地址内存区域mprotect成W模式，再进行拷贝。 后续我重新传一个添加后的版本上来
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