Android插件化——高手必备的Hook技术

作者: 冬日毛毛雨 | 来源:发表于2020-12-17 17:36 被阅读0次

1、Hook技术

在程序开发中方法的调用和执行都是按顺序执行的，那如果我们想修改或接入程序的执行，就必须在执行的过程中插入自己的程序，但同时又不影响原来程序的执行，这就是Hook 技术，Hook中文意思是钩子，它是一个两头的钩子，切开原来的程序然后用Hook勾住两端，是程序仍然整体执行但数据都同过钩子传递，既然数据都要通过钩子，那我们就可以在这个过程中偷梁换柱了；

Hook分类

根据Hook的API语言划分，分为Hook Java 和 Hook Native
根据Hook进程划分，分为应用进程Hook 和全局 Hook

代理模式

代理模式是Hook模式的基础原型，代理模式指为某个类的操作提供代理执行
代理模式的意义在于无需修改原来的程序结构，增加或扩展程序的功能
代理类的实现：声明一个功能接口，代理类和真实类都实现这个功能接口，在代理类中保存真实类的对象，当调用代理类执行方法时，内部调用真实对象执行；

interface Function { // 声明的方法接口
    fun function()
}

class RealFunction : Function { // 创建的真实实现类，需要执行具体的逻辑
    override fun function() {
        TODO("not implemented") //To change body of created functions use File | Settings | File Templates.
    }
}

class ProxyFunction(val realFunction: Function) : Function { // 代理类，内部传入真实实例
    override fun function() {
        // doSomething.....
        realFunction.function()
    }
}

代理模式的使用

val realFunction = RealFunction()
val proxyFunction = ProxyFunction(realFunction)
proxyFunction.realFunction // 执行代理方法

动态代理，关于动态代理的使用和原理见另一篇文章Java动态代理

从上面的代理模式和动态代理可以看出，我们完全可以通过代理的代码去拦截和修改原来程序的逻辑，这里针对的是自己创建的类，那针对系统或框架的源码呢？是不是也可以实现呢？答案是肯定的，但从上面对Hook的定以中可以看出，我们入过要想稳定的Hook程序，那必须找到最合适且一定会执行的地方，也就是寻找Hook点，这也是重点和难点的地方，一般选择不太变换的对象最作为Hook点，如：单例、静态对象等；

2、Hook系统中的Instrumentation

通过上面的学习大概知道Hook的原理和使用，剩下部分已安卓中常见的Hook使用为例深入理解和使用Hook技术，我们现在利用Hook技术修改掉Activity的启动过程，由Android进阶知识树——Android四大组件启动过程知道，Activity在启动的开始和最后创建对象时都是通过Instrumentation类，而且Instrumentation在ActivityThread中的对象即进程中只有一个实例，正好符合Hook点，下面就一起实现Hook Instrumentation，具体步骤如下：

创建Instrumentation的代理类，内部保存系统原来的Instrumentation

public class FixInstrumentation extends Instrumentation {
   private Instrumentation instrumentation;
   private static final String ACTIVITY_RAW = "raw_activity";
   public FixInstrumentation(Instrumentation instrumentation) {
      this.instrumentation = instrumentation;
   }
}

Hook系统的Instrumentation

Class<?> classes = Class.forName("android.app.ActivityThread");
Method activityThread = classes.getDeclaredMethod("currentActivityThread");
activityThread.setAccessible(true);
Object currentThread = activityThread.invoke(null);
Field instrumentationField = classes.getDeclaredField("mInstrumentation");
instrumentationField.setAccessible(true);
Instrumentation instrumentationInfo = (Instrumentation) instrumentationField.get(currentThread);
FixInstrumentation fixInstrumentation = new FixInstrumentation(instrumentationInfo);
instrumentationField.set(currentThread, fixInstrumentation);

首先反射获取进程中ActivityThread的对象，然后已此对象反射获取系统中的mInstrumentation对象
创建FixInstrumentation对象，内部保存上一步获取的mInstrumentation的实例
反射将FixInstrumentation对象设置到ActivityThread中，此时进程中的mInstrumentation就是FixInstrumentation

重写Instrumentation方法，用于替换代理Activity

现在要在FixInstrumentation中实现启动Main3Activity的功能，但是Main3Activity为加载进来的插件活动，未在程序的注册清单中注册，正常启动的话一定会抛出异常，这里想利用Hook的Instrumentation对象将启动对象替换车成已注册的活动，从而逃避系统的检查，这也是Android插件化技术的方案，下面我们就在execStartActivity（）方法中替换

public ActivityResult execStartActivity(
      Context who, IBinder contextThread, IBinder token, Activity target,
      Intent intent, int requestCode, Bundle options) {

   ComponentName componentName = intent.getComponent();
   String packageName = componentName.getPackageName();
   String classname = componentName.getClassName();
   if (classname.equals("com.alex.kotlin.plugin.Main3Activity")) { //判断是否为Main3Activity
      intent.setClassName(who, ProxyActivity.class.getCanonicalName()); // 替换为注册的ProxyActivity启动
   }
   intent.putExtra(ACTIVITY_RAW, classname); // 同时保存原来的Main3Activity
   try {
      @SuppressLint("PrivateApi")
      Method method = instrumentation.getClass().getDeclaredMethod("execStartActivity",
            Context.class, IBinder.class, IBinder.class, Activity.class, Intent.class, int.class, Bundle.class);
      if (!Modifier.isPublic(method.getModifiers())) {
         method.setAccessible(true);
      }
      return (ActivityResult) method.invoke(instrumentation, who, contextThread, token, target, intent, requestCode, options);
}

创建真正启动的Activity

上面的替换操作躲过了系统的注册检查，程序执行到newActivity（）创建活动时，我们要该回真正启动的目标活动，否则一切都白忙活了，下面在newActivity（）完成替换，在替换完成后执行原来的逻辑；

public Activity newActivity(ClassLoader cl, String className,
                     Intent intent) throws InstantiationException,
      IllegalAccessException {
   String classnameIntent = intent.getStringExtra(ACTIVITY_RAW);
   String packageName = intent.getComponent().getPackageName(); // 获取Intent中保存的真正Activity包名、类名
   if (className.equals(ProxyActivity.class.getCanonicalName())) {
      ComponentName componentName = new ComponentName(packageName, classnameIntent); // 替换真实Activity的包名和类名
      intent.setComponent(componentName);
      className = classnameIntent;
   }
   Log.d("FixInstrumentation == ", "set activity is  original" + className);
   try {
      @SuppressLint("PrivateApi")
      Method method = instrumentation.getClass().getDeclaredMethod("newActivity",
            ClassLoader.class, String.class, Intent.class);
      if (!Modifier.isPublic(method.getModifiers())) {
         method.setAccessible(true);
      }
      return (Activity) method.invoke(instrumentation, cl, className, intent); // 执行原来的创建方法
   }
}

Hook Instrumentation实现Activity插件启动总结：

Hook系统的Instrumentation对象，设置创建的代理类
在代理类中修改启动Activity的Intent，将启动的目标Activity替换为占位Activity，从而避免注册清单的检查
在代理类中重写newActivity（）将启动的活动换回真实目标，然后继续执行原有逻辑

3、Binder Hook（Hook 系统服务）

上面通过Hook技术修改了活动的启动过程，属于应用程序的Hook，下面尝试Hook Android的系统服务，修改系统的功能，在Hook之前还是先了解一下系统服务的获取过程，并尝试寻找Hook点；

3.1、系统获取服务的原理

ContextImpl.getSystemService(String name)

 @Override
public Object getSystemService(String name) {
     return SystemServiceRegistry.getSystemService(this, name);
}
public static Object getSystemService(ContextImpl ctx, String name) {
     //1、从注册的SYSTEM_SERVICE_FETCHERS中根据名称获取ServiceFetcher
     ServiceFetcher<?> fetcher = SYSTEM_SERVICE_FETCHERS.get(name); 
     return fetcher != null ? fetcher.getService(ctx) : null; //2、ServiceFetcher中创建服务
}

在使用系统服务时会直接调用Context的getSystemService（），最终调用ContextImpl中的方法，在ContextImpl中调用SystemServiceRegistry.getSystemService（），关于SystemServiceRegistry简单介绍一下，系统在启动时会向SystemServiceRegistry中注册一系列服务，在使用过程中直接根据服务名换获取服务；

SYSTEM_SERVICE_FETCHERS中注册服务（以JOB_SCHEDULER_SERVICE为例）

//注册服务
registerService(Context.JOB_SCHEDULER_SERVICE, JobScheduler.class, new StaticServiceFetcher<JobScheduler>() {
           @Override
          public JobScheduler createService() {
             IBinder b = ServiceManager.getService(Context.JOB_SCHEDULER_SERVICE); //从ServiceManager中获取Binder
             return new JobSchedulerImpl(IJobScheduler.Stub.asInterface(b)); //获取Binder的代理对象
         }});
private static <T> void registerService(String serviceName, Class<T> serviceClass,ServiceFetcher<T> serviceFetcher) {
    SYSTEM_SERVICE_NAMES.put(serviceClass, serviceName);
    SYSTEM_SERVICE_FETCHERS.put(serviceName, serviceFetcher); //以键值对的形式保存服务名称、StaticServiceFetcher实例
}

从上面的注册过程知道，系统首先将每个服务的创建过程封装在对应的ServiceFetcher对象中，然后将ServiceFetcher对象以服务名称注册在SYSTEM_SERVICE_FETCHERS中，这也就是为什么获取服务时传入服务名称；

ServiceManager.getService（）：获取系统中相应服务对应的Binder对象

  public JobScheduler createService() throws ServiceNotFoundException {
               IBinder b = ServiceManager.getServiceOrThrow(Context.JOB_SCHEDULER_SERVICE);
               return new JobSchedulerImpl(IJobScheduler.Stub.asInterface(b));
           }

在服务获取的过程中会调用ServiceFetcher的createService（）方法，在create（）中首先获取系统中保存的Binder对象，然后根据Binder对象调用asInterface（）查找代理类，asInterface（）会先检查本进程是否存在Binder对象，如果不存在则创建一个代理对象；

总结一下服务的获取过程：

在系统开始时，系统会像SYSTEM_SERVICE_FETCHERS注册封装服务的ServiceFetcher实例
在程序调用获取服务时，根据服务名称从SYSTEM_SERVICE_FETCHERS查找并返回对应的ServiceFetcher实例
调用实例的get（）获取服务时，首先从ServerManager中获取系统中保存服务的Binder
调用IxxInterface的asInterface（）方法查找并返回Binder的代理类

3.2、寻找Hook点

通过上面的分析知道，可以操作的地方就是obj.queryLocalInterface（），如果我们Hook了传入的Binder对象，修改他的queryLocalInterface就可以返回替代的对象的代理对象，就可实现代理；
要想实现目标1就必须确保ServerManager的查找中能返回我们指定的Binder，好在ServerManager中从系统Map缓存中获取，我们只要将代理的Binder放在缓存的Map，然后在查找时即可返回指定的Binder；

3.3、实战——以剪切版服务为例

创建服务的动态代理类

public class FixBinder implements InvocationHandler {
    private static final String TAG = "BinderHookHandler";
    // 原来的Service对象 (IInterface)
    Object base;
    public FixBinder(IBinder base, Class<?> stubClass) {
        try {
         Method asInterfaceMethod = stubClass.getDeclaredMethod("asInterface", IBinder.class);//获取原接口的asInterface
         this.base = asInterfaceMethod.invoke(null, base); //使用原来的Binder反射执行获取本来服务的代理类
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("hooked failed!");
        }
    }
    @TargetApi(Build.VERSION_CODES.HONEYCOMB)
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        // 欺骗系统,使之认为剪切版上一直有内容
        if ("hasPrimaryClip".equals(method.getName())) {
            return true;
        }
        return method.invoke(base, args); //其余方法使用原Binder代理反射执行
    }
}

这里和前面直接保存系统对象不同，因为在查找服务时首先获得的是系统的Binder，只有自己利用Binder其查找才会返回代理类
在构造函数中传入系统中查找的Binder对象，然后反射调用asasInterface（）获取并保存系统服务本身的服务的代理类
拦截剪切方法，拦截hasPrimaryClip（）方法返回true，使系统一直认为剪切板上有内容

创建Binder对象

public class ProxyBinder implements InvocationHandler {
    IBinder base;
    Class<?> stub;
    Class<?> iinterface;
    public ProxyBinder(IBinder base) {
        this.base = base; //（1）
        try {
            this.stub = Class.forName("android.content.IClipboard$Stub”); //（2）
            this.iinterface = Class.forName("android.content.IClipboard");
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        if ("queryLocalInterface".equals(method.getName())) { //（3） 
            return Proxy.newProxyInstance(proxy.getClass().getClassLoader(),//（4）
                    // asInterface 的时候会检测是否是特定类型的接口然后进行强制转换
                    // 因此这里的动态代理生成的类型信息的类型必须是正确的，即必须是以下3个接口实例
                    new Class[] { IBinder.class, IInterface.class, this.iinterface },
                    new FixBinder(base, stub));
        }
        return method.invoke(base, args);
    }
}

第一创建了系统服务的代理类，由前面分析知道了，代理类的使用是由Binder查询出来的，所以下一步要创建一个Binder类，并且内部拦截查询的queryLocalInterface（）方法，让此方法返回第一步的代理类，创建步骤：

和普通代理一样，在代理内部保存ServerManager中原来真正的Binder
利用反射获取IClipboard$Stub类，用于查找代理类
Hook了queryLocalInterface方法
在invoke（）拦截到方法后，使用动态代理创建并返回IClipboard的代理Binder

Hook 替换ServerManager中的Binder

final String CLIPBOARD_SERVICE = "clipboard";
// 下面这一段的意思实际就是: ServiceManager.getService("clipboard");
Class<?> serviceManager = Class.forName("android.os.ServiceManager");
Method getService = serviceManager.getDeclaredMethod("getService", String.class);
// （1）ServiceManager里面管理的原始的Clipboard Binder对象
IBinder rawBinder = (IBinder) getService.invoke(null, CLIPBOARD_SERVICE);
//（2） Hook 掉这个Binder代理对象的 queryLocalInterface 方法
IBinder hookedBinder = (IBinder) Proxy.newProxyInstance(serviceManager.getClassLoader(),
        new Class<?>[] { IBinder.class },
        new BinderProxyHookHandler(rawBinder));
// （3）把这个hook过的Binder代理对象放进ServiceManager的cache里面
Field cacheField = serviceManager.getDeclaredField("sCache");
cacheField.setAccessible(true);
Map<String, IBinder> cache = (Map) cacheField.get(null);
cache.put(CLIPBOARD_SERVICE, hookedBinder);

通过前面两部已经将所有要创建的代理Binder实现了，剩下的就是要将ProxyBinder放入系统ServiceManager的缓存中，这样在查询时才会按我们的要求返回Binder，后面的套路才能执行下去，具体的Hook过程见代码注释；

4、Hook 系统服务AMS（Android 9.0）

上面两个例子已经将Hook的使用介绍清楚了，接下来再利用Hook技术拦截系统的AMS，改变系统的服务启动，也是插件化启动服务的原理，这里实现启动未注册的MyService，关于Service的启动过程点击上面的四大组件的链接查看，因为AMS也是通过Binder通信的所以Hook的第一步要实现Binder的动态代理

创建AMS的代理，实现功能拦截服务的启动过程

public class HookProxyBinder implements InvocationHandler {
   public static final String HookProxyBinder = "HookProxyBinder";
   Object binder;
   public HookProxyBinder(Object binder) {
      this.binder = binder;
   }
   @Override
   public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
      Log.e("HookProxyBinder==", method.getName());
      if ("startService".equals(method.getName())) { //拦截启动服务
         int i = 0;
         Intent intent = null;
         for (int index = 0; index < args.length; index++) {
            if (args[index] instanceof Intent) {
               i = index;
               intent = (Intent) args[index];
               break;
            }
         }
         String packageName = intent.getComponent().getPackageName();
         String className = intent.getComponent().getClassName();
         if (className.equals(MyService.class.getCanonicalName())) {
            intent.setClassName(packageName, ProxyService.class.getCanonicalName());
            intent.putExtra(HookProxyBinder, className);
         }
         args[i] = intent;
      }
      return method.invoke(binder, args);
   }
}

在invoke（）方法中拦截startService（），整体实现和上面Activity的启动一样，通过在拦截到方法后替换为注册的占位服务，实现服务的启动

Hook系统AMS（以Android 9.0 为例）

//1、反射获取ActivityManager类中的静态实例IActivityManagerSingleton
Class<?> manager = Class.forName("android.app.ActivityManager");
Field field = manager.getDeclaredField("IActivityManagerSingleton");
field.setAccessible(true);
Object object = field.get(null);
//反射获取Singleton中的mInstance实例，mInstance就是调用create之后创建的对象，此处就是IActivityManager的代理实例
Class<?> singlen = Class.forName("android.util.Singleton");
Field field1 = singlen.getDeclaredField("mInstance");
field1.setAccessible(true);
Object binder = field1.get(object); //2、获取此IActivityManagerSingleton内部的mInstance
Class<?> iActivityManagerInterface = Class.forName("android.app.IActivityManager");
//3、创建代理IActivityManager
Object binder1 = Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(), new Class[]{iActivityManagerInterface}, new HookProxyBinder(binder));
//4、将重写的代理IActivityManager设置给mInstance
field1.set(object, binder1);

上面的Hook过程也就是利用反射获取系统原来的代理类，然后将创建的代理类设置到系统中，只是这里牵扯到了Singleton类，系统中的AMS是使用Singleton单例提供的，所以只能反射从Singleton中获取，详情见Android进阶知识树——Android四大组件启动过程

注册和创建代理服务

public class ProxyService extends Service {
   public ProxyService() {
   }
   @Override
   public IBinder onBind(Intent intent) {
      throw null;
   }
   @Override
   public int onStartCommand(Intent intent, int flags, int startId) {
      String service = intent.getStringExtra(HookProxyBinder.HookProxyBinder);
      Log.e("============++++", service);
      return super.onStartCommand(intent, flags, startId);
   }
}

启动服务

Intent intentService = new Intent(MainActivity.this, MyService.class); //此处启动服务并未注册
startService(intentService);

插件启动Service过程：

通过Hook技术将系统的AMS替换为代理类，拦截启动服务的方法
在拦截方法中将启动的目标Service替换为占位Service，同时保存目标服务
在占位服务启动后获取目标服务并调用其相应方法，实现插件服务的启动

本文从基础只是和实战的角度介绍下Hook技术，Hook技术也是插件化中必备的技术，Hook从技术角度上还是比较简单，但需要对目标原理和过程进行理解，确定合理的Hook点，才能实现真正的效果；

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Android插件化——高手必备的Hook技术

1、Hook技术

2、Hook系统中的Instrumentation

3、Binder Hook（Hook 系统服务）

3.1、系统获取服务的原理

3.2、寻找Hook点

3.3、实战——以剪切版服务为例

4、Hook 系统服务AMS（Android 9.0）

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