android ART hook
0x00 前言
之前一直都是在Dalvik 虚拟机上在折腾，从Android 4.4开始开始引入ART，到5.0已经成为默认选择。而且最近看到阿里开源的 Dexposed 框架，已经提供了对于android art 模式下的 hook 支持，所以对照着android art 部分的源码和之前 liang 大牛放出了hook代码研究了一下ART模式下的hook原理，做个简单的整理。关于android ART 更详尽的部分 可以阅读csdn的博客专栏《老罗的android之旅》。
0x01 ART
ART是Android平台上的新一代运行时,用来代替dalvik。它主要采用了AOT(Ahead Of Time)的方法，在apk安装的时候将dalvikbytecode一次性编译成arm本地指令（但是这种AOT与c语言等还是有本质不同的，还是需要虚拟机的环境支持），这样在运行的时候就无需进行任何解释或编译便可直接执行。因为Dalvik执行的是Dex字节码，通过解释器执行。虽然Dalvik也会对频繁执行的代码进行jIT生成本地机器指令来执行，但毕竟在应用程序运行过程中将Dex字节码翻译成本地机器指令也会影响到应用程序本身的执行。因此ART节省了运行时间，提高了效率，但是在一定程度上使得应用安装的时间变长，空间占用变大。
下图是ART 的源码目录结构：
中间有几个目录比较关键，
首先是dex2oat，负责将dex文件给转换为oat文件，具体的翻译工作需要由compiler来完成，最后编译为dex2oat；
其次是runtime目录，内容比较多，主要就是运行时，编译为libart.so用来替换libdvm.so，dalvik是一个外壳，其中还是在调用ART runtime；
oatdump也是一个比较重要的工具，编译为oatdump程序，主要用来对oat文件进行分析并格式化显示出文件的组成结构；
jdwpspy是java的调试支持部分，即JDWP服务端的实现。
ART也是由zygote所启动的，与dalvik的启动过程完全一样，保证了由dalvik到ART的无缝衔接。
整个启动过程是从app_process(/framework/base/cmds/app_process/app_main.cpp)开始的，开始的时候，创建了一个对象AppRuntime runtime,这是个单例，整个系统运行时只有一个，随着zygote 的fork过程，每个子进程只是在不断的复制指向这个对象的指针个数。然后开始执行runtime.start方法(/frameworks/base/core/jni/AndrroidRuntime.cpp)。在start方法中会对系统的属性进行判断，选择libdvm.so 或者是libart.so进行链接。
/* start the virtual machine */
JniInvocation jni_invocation;
jni_invocation.Init(NULL);
JNIEnv* env;
if (startVm(&mJavaVM, &env) != ) {
return;
}
可以在JniInvocation.Init函数中看到初始化过程
bool JniInvocation::Init(const char* library) {
#ifdef HAVE_ANDROID_OS
char default_library[PROPERTY_VALUE_MAX];
property_get("persist.sys.dalvik.vm.lib", default_library, "libdvm.so");
#else
const char* default_library = "libdvm.so";
#endif
if (library == NULL) {
library = default_library;
}
handle_ = dlopen(library, RTLD_NOW);
if (handle_ == NULL) {
ALOGE("Failed to dlopen %s: %s", library, dlerror());
return false;
}
if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_),
"JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs")) {
return false;
}
if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_CreateJavaVM_),
"JNI_CreateJavaVM")) {
return false;
}
if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetCreatedJavaVMs_),
"JNI_GetCreatedJavaVMs")) {
return false;
}
return true;
}
而对于libdvm.so或者libart.so都需要提供几个公用的接口，以达到从Dalvik到ART的无缝衔接。而接下的来调用的JNI_CreateJavaVM()实际上是JniInvocation中的JNI_CreateJavaVM()函数
jint JniInvocation::JNI_CreateJavaVM(JavaVM** p_vm, JNIEnv** p_env, void* vm_args) {
return JNI_CreateJavaVM_(p_vm, p_env, vm_args);
}
在之前的JniInvocation::init中函数指针已经选择保存了libdvm.so或者libart.so中的函数地址，在这里正式开始划分Dalvik和ART启动流程。Android系统通过将ART运行时抽象成一个Java虚拟机，以及通过系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib和一个适配层JniInvocation，就可以无缝地将Dalvik虚拟机替换为ART运行时。
而hook代码中对于android运行模式判断也是如此，和JniInvocation::init函数中一样，都是判断系统属性值。
static bool isArt(){
char value[PROPERTY_VALUE_MAX];
property_get("persist.sys.dalvik.vm.lib", value, "");
LOGI("[+] persist.sys.dalvik.vm.lib = %s", value);
return strncmp(value, "libart.so", strlen("libart.so")) == ;
}
0x02 ART 中方法的调用
还是通过源码，在ART启动过程中：
/* frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp */
void AndroidRuntime::start(const char* className, const char* options)
{
......
char* slashClassName = toSlashClassName(className);
jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
if (startClass == NULL) {
ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
/* keep going */
} else {
jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
if (startMeth == NULL) {
ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
/* keep going */
} else {
env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
......
}
}
......
}
跟入CallStaicVoidMethod() 函数
/* art/runtime/jni_internal.cc */
static void CallStaticVoidMethod(JNIEnv* env, jclass, jmethodID mid, ...) {
va_list ap;
va_start(ap, mid);
CHECK_NON_NULL_ARGUMENT(CallStaticVoidMethod, mid);
ScopedObjectAccess soa(env);
InvokeWithVarArgs(soa, NULL, mid, ap);
va_end(ap);}
JNI类的成员函数CallStaticVoidMethod实际上又是通过全局函数InvokeWithVarArgs来调用参数mid指定的方法。
/* art/runtime/jni_internal.cc */
static JValue InvokeWithVarArgs(const ScopedObjectAccess& soa, jobject obj,
jmethodID mid, va_list args)
SHARED_LOCKS_REQUIRED(Locks::mutator_lock_) {
ArtMethod* method = soa.DecodeMethod(mid);
Object* receiver = method->IsStatic() ? NULL : soa.Decode<Object*>(obj);
MethodHelper mh(method);
JValue result;
ArgArray arg_array(mh.GetShorty(), mh.GetShortyLength());
arg_array.BuildArgArray(soa, receiver, args);
InvokeWithArgArray(soa, method, &arg_array, &result, mh.GetShorty()[]);
return result;
}
函数InvokeWithVarArgs将调用参数封装在一个数组中，然后再调用另外一个函数InvokeWithArgArray来参数mid指定的方法。
/* art/runtime/jni_internal.cc */
void InvokeWithArgArray(const ScopedObjectAccess& soa, ArtMethod* method,
ArgArray* arg_array, JValue* result, char result_type)
SHARED_LOCKS_REQUIRED(Locks::mutator_lock_) {
uint32_t* args = arg_array->GetArray();
if (UNLIKELY(soa.Env()->check_jni)) {
CheckMethodArguments(method, args);
}
method->Invoke(soa.Self(), args, arg_array->GetNumBytes(), result, result_type);
}
可以看到参数mid实际上是一个ArtMethod对象指针，因此，将它转换为一个ArtMethod指针（dalvik也是如此），于是就可以得到被调用类方法的相关信息了。
函数InvokeWithArgArray通过ArtMethod类的成员函数Invoke来调用参数method指定的类方法。ArtMethod类的成员函数Invoke的实现如下所示：
/* art/runtime/mirror/art_method.cc*/
void ArtMethod::Invoke(Thread* self, uint32_t* args, uint32_t args_size, JValue* result,
char result_type) {
...... // Push a transition back into managed code onto the linked list in thread.
ManagedStack fragment;
self->PushManagedStackFragment(&fragment); Runtime* runtime = Runtime::Current();
// Call the invoke stub, passing everything as arguments.
if (UNLIKELY(!runtime->IsStarted())) {
......
if (result != NULL) {
result->SetJ();
}
} else {
const bool kLogInvocationStartAndReturn = false;
if (GetEntryPointFromCompiledCode() != NULL) {
......
#ifdef ART_USE_PORTABLE_COMPILER
(*art_portable_invoke_stub)(this, args, args_size, self, result, result_type);
#else
(*art_quick_invoke_stub)(this, args, args_size, self, result, result_type);
#endif
if (UNLIKELY(reinterpret_cast<int32_t>(self->GetException(NULL)) == -)) {
// Unusual case where we were running LLVM generated code and an
// exception was thrown to force the activations to be removed from the
// stack. Continue execution in the interpreter.
self->ClearException();
ShadowFrame* shadow_frame = self->GetAndClearDeoptimizationShadowFrame(result);
self->SetTopOfStack(NULL, );
self->SetTopOfShadowStack(shadow_frame);
interpreter::EnterInterpreterFromDeoptimize(self, shadow_frame, result);
}
......
} else {
......
if (result != NULL) {
result->SetJ();
}
}
} // Pop transition.
self->PopManagedStackFragment(fragment);
}
整个过程的重点就在art_protable_invoke_stub 和 art_quick_invoke_stub上，这也是整个hook工作的关键。函数中根据预定义宏ART_USE_PORTABLE_COMPILER来判断是protable 还是 quick 的方式。这里的protable 和 quick是android对于编译dex文件采用的两种不同的后端，protable生成的oat文件和传统的so，dll文件类似，处理不同模块之间的调用关系时需要重定位操作，而quick是通过线程的TLS中的跳转表来实现，不需要重定位操作，因此加载的速度更快。而android默认的是采用的quick，所以我们只分析quick的调用过程，也就是这里的art_quikc_invoke_stub。更详细的过程参考《老罗的android之旅》。
我们继续看art_quick_invoke_stub的源码：
/*art/runtime/arch/arm/quick_entrypoints_arm.S*/
/*
* Quick invocation stub.
* On entry:
* r0 = method pointer
* r1 = argument array or NULL for no argument methods
* r2 = size of argument array in bytes
* r3 = (managed) thread pointer
* [sp] = JValue* result
* [sp + ] = result type char
*/
ENTRY art_quick_invoke_stub
push {r0, r4, r5, r9, r11, lr} @ spill regs
.save {r0, r4, r5, r9, r11, lr}
.pad #
.cfi_adjust_cfa_offset
.cfi_rel_offset r0,
.cfi_rel_offset r4,
.cfi_rel_offset r5,
.cfi_rel_offset r9,
.cfi_rel_offset r11,
.cfi_rel_offset lr,
mov r11, sp @ save the stack pointer
.cfi_def_cfa_register r11
mov r9, r3 @ move managed thread pointer into r9
mov r4, #SUSPEND_CHECK_INTERVAL @ reset r4 to suspend check interval
add r5, r2, # @ create space for method pointer in frame
and r5, #0xFFFFFFF0 @ align frame size to bytes
sub sp, r5 @ reserve stack space for argument array
add r0, sp, # @ pass stack pointer + method ptr as dest for memcpy
bl memcpy @ memcpy (dest, src, bytes)
ldr r0, [r11] @ restore method*
ldr r1, [sp, #] @ copy arg value for r1
ldr r2, [sp, #] @ copy arg value for r2
ldr r3, [sp, #] @ copy arg value for r3
mov ip, # @ set ip to
str ip, [sp] @ store NULL for method* at bottom of frame
ldr ip, [r0, #METHOD_CODE_OFFSET] @ get pointer to the code
blx ip @ call the method
mov sp, r11 @ restore the stack pointer
ldr ip, [sp, #] @ load the result pointer
strd r0, [ip] @ store r0/r1 into result pointer
pop {r0, r4, r5, r9, r11, lr} @ restore spill regs
.cfi_adjust_cfa_offset -
bx lr
END art_quick_invoke_stub
前面的注释列出了 函数art_quick_invoke_stub被调用的时候，寄存器r0-r3的值，以及调用栈顶端的两个值。其中，
r0指向当前被调用的类方法，
r1指向一个参数数组地址，
r2记录参数数组的大小，
r3指向当前线程，
调用栈顶端的两个元素分别用来保存调用结果及其类型。
真正调用类方法的汇编指令如下：
ldr ip, [r0, #METHOD_CODE_OFFSET] @ get pointer to the code
blx ip @ call the method
这里的 METHOD_CODE_OFFSET 就是在ArtMethod*结构体中的偏移
/*art/runtime/asm_support.h*/
// Offset of field Method::entry_point_from_compiled_code_
#define METHOD_CODE_OFFSET
就是进入类方法的入口点，entry_point_from_compiled_code_字段，也是hook点。
0x03 调用约定
ART 其实也有两种执行模式，一种是本地机器指令，一种是类似于虚拟机的解释执行。ArtMethod结构体中的两个成员就和类方法入口有关：
// Compiled code associated with this method for callers from managed code.
const void* entry_point_from_compiled_code_; //本地机器指令入口 code_offset / GetCompiledCodeToInterpreterBridge (art_quick_to_interpreter_bridge) // Called by the interpreter to execute this method.
EntryPointFromInterpreter* entry_point_from_interpreter_; //解释执行入口 artInterpreterToInterpreterBridge / artInterpreterToCompiledCodeBridg
这两个成员都指针，其中EntryPointFromInterpreter* 是函数指针类型，实际上也就是一种调用，表示调用者是来自解释执行方式的一种调用约定
typedef void (EntryPointFromInterpreter)(Thread* self, MethodHelper& mh,
const CodeItem* code_item, ShadowFrame* shadow_frame,
JValue* result);
entry_point_from_interpreter_ 是作为调用者是解释执行的入口函数，也是分为两种情况：
1.当前ArtMethod对应的方法如果是解释执行话，将entry_point_from_interpreter_ 设置为artInterpreterToInterpreterBridge；
2.当前ArtMethod 对应的是方法是机器指令的话，就entry_point_from_interpreter_设置为artInterpreterToCompiledCodeBridge
而entry_point_from_compiled_code_表示调用者是机器指令的类方法入口，而他的值也是分为两种情况：
1.被调用的方法，也就是ArtMethod 所对应的方法如果需要通过解释执行，则赋值为GetCompiledCodeToInterpreterBridge() 函数的返回值；
2.ArtMethod 所对应的方法如果是本地机器指令，则直接指向方法在oat文件中的指令。
这两个字段的值的问题，更详细的可以阅读android art/runtime/class_linker.cc 文件中LinkCode()方法的源码，而这里我们hook的就是针对entry_point_from_compiled_code_ 字段。
可以通过art_quick_invoke_stub 汇编代码得出在调用ArtMethod 应该方法的执行入口时的栈帧布局：
-(low)
| caller(Method *) | <- sp
| arg1 | <- r1
| arg2 | <- r2
| arg3 | <- r3
| ... |
| argN |
| callee(Method *) | <- r0
+(high)
前三个参数还会额外地保存在寄存器r1、r2和r3中。这样对于小于等于3个参数的类方法，就可以通过访问寄存器来快速地获得参数。
注意，传递给被调用类方法的参数并不是从栈顶第一个位置（一个位置等于一个字长，即4个字节）开始保存的，而是从第二个位置开始的，即sp + 4。这是因为栈顶的第一个位置是预留用来保存用来描述当调用类方法（Caller）的ArtMethod对象地址的。由于函数art_quick_invoke_stub是用来从外部进入到ART运行时的，即不存在调用类方法，因此这时候栈顶第一个位置会被设置为NULL。
0x04 Hook
之前说过，Method的id也就是jmethod实际上是一个指针，指向的就是代码类方法的ArtMethod结构体，通过类型转换就可以获得目标类方法的ArtMethod的指针
ArtMethod *artmeth = reinterpret_cast<ArtMethod *>(methid);
获得了ArtMethod* ，就可以设置类方法的entrypoint:
if(art_quick_dispatcher != artmeth->GetEntryPointFromCompiledCode()){
uint64_t (*entrypoint)(ArtMethod* method, Object *thiz, u4 *arg1, u4 *arg2);
entrypoint = (uint64_t (*)(ArtMethod*, Object *, u4 *, u4 *))artmeth->GetEntryPointFromCompiledCode();
info->entrypoint = (const void *)entrypoint;
info->nativecode = artmeth->GetNativeMethod();
artmeth->SetEntryPointFromCompiledCode((const void *)art_quick_dispatcher);
也就是如果替换了entry_point_from_compiled_code_的值，使其指向我们的代码art_quick_diapatcher，这时art_quick_invoke_stub调用我们自己的代码，但是调用约定并不是普通的arm下C/C++的调用约定，所以我们需要用汇编代码来对堆栈进行处理，然后再调用真正的额外执行的C++代码，而在C++代码中也需要返回原始的方法，同样的也需要对堆栈进行处理，同样需要借助汇编来还原堆栈，调用原始的entrypoint。
ENTRY art_quick_dispatcher
push {r4, r5, lr} @ sp -
mov r0, r0 @ pass r0 to method
str r1, [sp, #( + )] @ arg array
str r2, [sp, #( + )]
str r3, [sp, #( + )]
mov r1, r9 @ pass r1 to thread
add r2, sp, #( + ) @ pass r2 to args array
add r3, sp, # @ pass r3 to old SP
blx artQuickToDispatcher @ (Method* method, Thread*, u4 **, u4 **)
pop {r4, r5, pc} @ return on success, r0 and r1 hold the result
END art_quick_dispatcher
上面的汇编代码art_quick_dispatcher就是替换原始entrypoint的值，处理堆栈，然后调用自己的C++函数artQuickToDispatcher()，之后在artQuickToDispatcher()调用原始的entrypoint。当然这里对于原始的entrypoint是不能直接进行调用的，需要在利用一段汇编代码，将堆栈还原成art_quick_invoke_stub调用entrypoint时的样子。
/*
*
* Art Quick Call Entrypoint
* On entry:
* r0 = method pointer
* r1 = thread pointer
* r2 = args arrays pointer
* r3 = old_sp
* [sp] = entrypoint
*/
ENTRY art_quick_call_entrypoint
push {r4, r5, lr} @ sp -
sub sp, #( + ) @ sp - -
str r0, [sp, #( + )] @ var_40_0 = method_pointer
str r1, [sp, #( + )] @ var_40_4 = thread_pointer
str r2, [sp, #( + )] @ var_40_8 = args_array
str r3, [sp, #( + )] @ var_40_12 = old_sp
mov r0, sp
mov r1, r3
ldr r2, =
blx memcpy @ memcpy(dest, src, size_of_byte)
ldr r0, [sp, #( + )] @ restore method to r0
ldr r1, [sp, #( + )]
mov r9, r1 @ restore thread to r9
ldr r5, [sp, #( + )] @ pass r5 to args_array
ldr r1, [r5] @ restore arg1
ldr r2, [r5, #] @ restore arg2
ldr r3, [r5, #] @ restore arg3
ldr r5, [sp, #( + + )] @ pass ip to entrypoint
blx r5
add sp, #( + )
pop {r4, r5, pc} @ return on success, r0 and r1 hold the result
END art_quick_call_entrypoint
也就是art_quick_call_entrypoint恢复原来的堆栈，调用原始的entrypoint。但是，还有一个问题存在，也就是ART中关于延迟加载的问题。
/* art/runtime/class_linker.cc*/
static void LinkCode(SirtRef<mirror::ArtMethod>& method, const OatFile::OatClass* oat_class,
uint32_t method_index)
SHARED_LOCKS_REQUIRED(Locks::mutator_lock_) {
// Method shouldn't have already been linked.
//判断类方法是否已经加载链接了
DCHECK(method->GetEntryPointFromCompiledCode() == NULL);
// Every kind of method should at least get an invoke stub from the oat_method.
// non-abstract methods also get their code pointers. /*method_index描述的索引号可以在oat_class表示的OatClass结构体中找到一个OatMethod结构体oat_method。
这个OatMethod结构描述了类方法method的本地机器指令相关信息，
通过调用它的成员函数LinkMethod可以将这些信息设置到参数method描述的ArtMethod对象中去
*/
const OatFile::OatMethod oat_method = oat_class->GetOatMethod(method_index);
//在LinkMethod中将ArtMethod中的entry_point_from_compiled_code_设置为code_offset
oat_method.LinkMethod(method.get()); // Install entry point from interpreter.
Runtime* runtime = Runtime::Current();
boolenter_interpreter=NeedsInterpreter(method.get(), method->GetEntryPointFromCompiledCode());
/*为了统一管理，为一个类方法都设置一个解释器入口点。需要通过解释执行的类方法的解释器入口点函数是artInterpreterToInterpreterBridge，
它会继续通过解释器来执行该类方法。需要通过本地机器指令执行的类方法的解释器入口点函数是artInterpreterToCompiledCodeBridge，
它会间接地调用该类方法的本地机器指令。*/
if (enter_interpreter) {
//需要解释执行 设置entry_point_from_interpreter_
method->SetEntryPointFromInterpreter(interpreter::artInterpreterToInterpreterBridge);
} else {
//native code
method->SetEntryPointFromInterpreter(artInterpreterToCompiledCodeBridge);
} if (method->IsAbstract()) {
// 设置entry_point_from_compiled_code_
method->SetEntryPointFromCompiledCode(GetCompiledCodeToInterpreterBridge());
return;
}
//trampoline 延迟链接
if (method->IsStatic() && !method->IsConstructor()) {
// For static methods excluding the class initializer, install the trampoline.
// It will be replaced by the proper entry point by ClassLinker::FixupStaticTrampolines
// after initializing class (see ClassLinker::InitializeClass method).
method->SetEntryPointFromCompiledCode(GetResolutionTrampoline(runtime->GetClassLinker()));
} else if (enter_interpreter) {
// Set entry point from compiled code if there's no code or in interpreter only mode.
method->SetEntryPointFromCompiledCode(GetCompiledCodeToInterpreterBridge());
} if (method->IsNative()) {
// Unregistering restores the dlsym lookup stub.
method->UnregisterNative(Thread::Current());
} // Allow instrumentation its chance to hijack code.
runtime->GetInstrumentation()->UpdateMethodsCode(method.get(),
method->GetEntryPointFromCompiledCode());
}
LinkCode 源码
在LinkCode() 的源码中可以看到这句代码：
//trampoline 延迟链接
if (method->IsStatic() && !method->IsConstructor()) {
// For static methods excluding the class initializer, install the trampoline.
// It will be replaced by the proper entry point by ClassLinker::FixupStaticTrampolines
// after initializing class (see ClassLinker::InitializeClass method).
method->SetEntryPointFromCompiledCode(GetResolutionTrampoline(runtime->GetClassLinker()));
}
将entrypoint的设置为GetResolutionTrampoline() 的返回值，而这里就是
/*art/runtime/entrypoints/entrypoint_utils.h*/
static inline const void* GetCompiledCodeToInterpreterBridge() {
#if defined(ART_USE_PORTABLE_COMPILER)
return GetPortableToInterpreterBridge();
#else
return GetQuickToInterpreterBridge();
#endif
}
这里就是延迟链接，意思是在加载和链接类的时候，部分方法的entrypoint设置的并不是本地机器指令，或者解释执行的入口，而是一个代理函数。而这个代理函数真正是干什么的？简单来说就是延迟链接，只有当真正调用这个类方法的时候，调用trampoline 函数才会对这个类方法进行链接，设置ArtMethod*的entry_point_from_compiled_code_的值为真正的本地机器指令或者解释执行入口。那这时在之前设置的entry_point_from_compiled_code_ 的值为art_quick_dispatcher的地址就被覆盖调用了，所以需要在我们自己的artQuickToDispatcher调用完原始的entrypoint以后，再对entrypoint进行一次判断和赋值：
/*
* 处理的就是trampoline 在调用原来的tramp方法以后，重新绑定entry_pooint_from_complied_ 字段*/
entrypoint = method->GetEntryPointFromCompiledCode();
if(entrypoint != (const void *)art_quick_dispatcher){
LOGW("[*] entrypoint was replaced. %s->%s", info->classDesc, info->methodName); method->SetEntryPointFromCompiledCode((const void *)art_quick_dispatcher);
整个ART模式下的hook流程大致就是如此。
项目代码：https://github.com/boyliang/AllHookInOne
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