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[原创]FastHook——一种高效稳定、简洁易用的Android Hook框架
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2019-3-9 15:35 10499
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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。
存在的问题:
- 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。这里为什么要完全备份Target方法呢?因为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。
- 性能损耗大。设置 kAccCompileDontBother禁止了JIT和AOT编译。
- Backup方法无法被再次解析。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
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。
- Inline模式实现
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。
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。
- EntryPoint替换模式实现
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。
- 方法编译
下列情况下可能会改变方法EntryPoint:
- Hook安全
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。
- 文件加载
- 类初始化
- JIT编译
- JIT垃圾回收(类似Mark-Sweep,设置为QuickToInterpreterBridge)
- 解释执行(如果存在JIT入口则设置为JIT入口)
有几种情况下,Inline模式不能Hook
- Inline模式Hook失败
发现上诉三种情况,一律用EntryPoint替换模式
- JIT编译失败
- 编译的方法指令长度小于JumpTrampoline长度
- Native方法
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。
- InterpreterToInterpreter
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。
- 指令对齐
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。
- 指令修复
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
- 方法内联
//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:
- 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
- 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
Thumb2Arm64
五、参考
YAHFA
Nougat_dlfunctions
[培训]二进制漏洞攻防(第3期);满10人开班;模糊测试与工具使用二次开发;网络协议漏洞挖掘;Linux内核漏洞挖掘与利用;AOSP漏洞挖掘与利用;代码审计。
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