详解Android 9.0 私有API禁用机制

作者: 881ef7b85f62 | 来源:发表于2019-02-28 20:39 被阅读9次

    本文基于原生Android 9.0源码来解读hidden API的限制调用机制

    libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/Class.javaart/runtime/native/java_lang_Class.ccart/runtime/hidden_api.hart/runtime/runtime.h
    

    一、引言

    每一次Android大版本的升级,往往会有大量的APP出现兼容性问题,导致这个情况的主要原因是由于APP的热修复SDKs以及依赖Android internal API(内部API),也就是非SDK API。这些API是指标记@hide的类、方法以及字段,它们不属于官方Android SDK的字段与函数。

    Google希望未来Android大版本升级,APP都能正常运行,而很多APP对内部API的调用通过反射或JNI间接调用的方法来调用,破坏兼容性。 为此Google从Android P开始限制对内部API的使用,继续使用则抛出如下异常。

    详解Android 9.0 私有API禁用机制

    虽然Google目前对这个限制使用不是很完善,存在一些漏洞,可能有些APP会利用漏洞继续使用,但这是不推荐的方式,标记@hide的类、方法以及字段在跨版本之间的兼容性将会无法保障,如果继续使用,那么后续出现兼容性问题将不再另行通知。因此,建议APP减少使用非SDK接口以提升稳定性。开发者都是按Google的预期使用公平的SDK或者NDK,对于开发者便于维护,对于用户体验更一致,大大有利于Android生态的健康发展。

    Android 7.0对Native的NDK的调用限制是手铐,而Android 9.0对Java层SDK的调用限制就是脚铐,那么对于Android应用想再搞一些插件化之类的黑科技便是带着脚手铐跳舞,即便能跳但舞姿已不太优雅了。

    二、内部API限制

    Android P限制APP对内部API的调用,而内部API只能通过反射或JNI间接调用,那么限制机制必然是在反射和JNI方法调用链中插入判断逻辑。 在下面小节2.4.2会讲述到所有的限制场景,这里以反射获取方法的getDeclaredMethod为例来展开说明,其他反射或JNI调用也是类似的逻辑。

    getDeclaredMethod

    @CallerSensitivepublic Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)throws NoSuchMethodException, SecurityException {return getMethod(name, parameterTypes, false); //【见小节2.2】}
    

    getMethod

    private Method getMethod(String name, Class<?>[] parameterTypes, boolean recursivePublicMethods)throws NoSuchMethodException {if (name == ) { //方法名不能为空throw new PointerException("name == ");}if (parameterTypes == ) {parameterTypes = EmptyArray.CLASS;}for (Class<?> c : parameterTypes) {if (c == ) { //参数不能为空throw new NoSuchMethodException("parameter type is ");}}//非public方法,则执行getDeclaredMethodInternal【见小节2.3】Method result = recursivePublicMethods ? getPublicMethodRecursive(name, parameterTypes): getDeclaredMethodInternal(name, parameterTypes);//找不到,则抛出异常if (result == ||(recursivePublicMethods && !Modifier.isPublic(result.getAccessFlags))) {throw new NoSuchMethodException(name + " " + Arrays.toString(parameterTypes));}return result;}
    

    getDeclaredMethodInternal

    @FastNativeprivate native Method getDeclaredMethodInternal(String name, Class<?>[] args);
    

    getDeclaredMethodInternal这是一个native方法,经过JNI调用,进入如下方法:

    [-> java_lang_Class.cc]

    static jobject Class_getDeclaredMethodInternal(JNIEnv* env, jobject javaThis,jstring name, jobjectArray args) {ScopedFastNativeObjectAccess soa(env);StackHandleScope<1> hs(soa.Self);DCHECK_EQ(Runtime::Current->GetClassLinker->GetImagePointerSize, kRuntimePointerSize);DCHECK(!Runtime::Current->IsActiveTransaction);Handle<mirror::Method> result = hs.NewHandle(mirror::Class::GetDeclaredMethodInternal<kRuntimePointerSize, false>(soa.Self,DecodeClass(soa, javaThis),soa.Decode<mirror::String>(name),soa.Decode<mirror::ObjectArray<mirror::Class>>(args)));//检测该方法是否允许访问【小节2.4】if (result == ptr || ShouldBlockAccessToMember(result->GetArtMethod, soa.Self)) {return ptr;}return soa.AddLocalReference<jobject>(result.Get);}
    

    ShouldBlockAccessToMember

    [-> java_lang_Class.cc]

    template<typename T>ALWAYS_INLINE static bool ShouldBlockAccessToMember(T* member, Thread* self)REQUIRES_SHARED(Locks::mutator_lock_) {//【小节2.5】hiddenapi::Action action = hiddenapi::GetMemberAction(member, self, IsCallerTrusted, hiddenapi::kReflection);//对于不是允许级别的接口,则通知相应监听器if (action != hiddenapi::kAllow) {hiddenapi::NotifyHiddenApiListener(member);}return action == hiddenapi::kDeny;}
    
    详解Android 9.0 私有API禁用机制

    这里是限制反射访问,此处的access_method等于hiddenapi::kReflection,除此之外还有其他几种模式,如下

    AccessMethod

    enum AccessMethod {kNone, // 测试模式,不会出现在实际场景访问权限kReflection, // Java反射调用kJNI, // JNI调用过程kLinking, // 动态链接过程};
    

    限制场景

    ShouldBlockAccessToMember是限制内部API访问的核心路径

    kReflection反射过程:

    • Class_newInstance:对象实例化

    • Class_getDeclaredConstructorInternal:构造方法

    • Class_getDeclaredMethodInternal:获取方法

    • Class_getDeclaredField:获取字段

    • Class_getPublicFieldRecursive:获取字段

    kJNI的JNI调用过程:

    • FindMethodID:查找方法

    • FindFieldID:查找字段

    kLinking动态链接:

    • UnstartedClassNewInstance

    • UnstartedClassGetDeclaredConstructor

    • UnstartedClassGetDeclaredMethod

    • UnstartedClassGetDeclaredField

    GetMemberAction

    [-> hidden_api.h]

    template<typename T>inline Action GetMemberAction(T* member,Thread* self,std::function<bool(Thread*)> fn_caller_is_trusted,AccessMethod access_method)REQUIRES_SHARED(Locks::mutator_lock_) {//获取hidenn API的可访问标识HiddenApiAccessFlags::ApiList api_list = member->GetHiddenApiAccessFlags;//获取相应的访问行为【小节2.6】Action action = GetActionFromAccessFlags(member->GetHiddenApiAccessFlags);if (action == kAllow) { //允许则直接返回return action;}//检测是否平台调用【小节2.7】if (fn_caller_is_trusted(self)) {return kAllow;}//对于hidden接口,且非平台调用【小节2.8】return detail::GetMemberActionImpl(member, api_list, action, access_method);}
    

    功能说明:

    • 当Action=kAllow,则直接返回;否则执行如下:

    • 通过fn_caller_is_trusted看当前是否是系统调用的,如果是系统调用则返回,否则执行如下:

    • 通过GetMemberActionImpl做进一步判断

    此处的fn_caller_is_trusted是指IsCallerTrusted

    GetActionFromAccessFlags

    [-> hidden_api.h]

    inline Action GetActionFromAccessFlags(HiddenApiAccessFlags::ApiList api_list) {if (api_list == HiddenApiAccessFlags::kWhitelist) {return kAllow; //位于白名单,则允许访问}EnforcementPolicy policy = Runtime::Current->GetHiddenApiEnforcementPolicy;if (policy == EnforcementPolicy::kNoChecks) {return kAllow; //非强制执行策略,则允许访问}if (policy == EnforcementPolicy::kJustWarn) {return kAllowButWarn;}//执行到这,policy>=kDarkGreyAndBlackListif (static_cast<int>(policy) > static_cast<int>(api_list)) {return api_list == HiddenApiAccessFlags::kDarkGreylist? kAllowButWarnAndToast : kAllowButWarn;} else {return kDeny;}}
    

    以上逻辑用图来展示EnforcementPolicy和HiddenApiAccessFlags在不同取值的情况下,所对应的Action值。 纵轴代表强制策略级别,横轴代表隐藏API的标识,表中数据代表Action,如下所示:

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    图解:

    • 当HiddenApiAccessFlags等于kWhitelist,则Action=kAllow,否则如下

    • 当EnforcementPolicy等于kNoChecks,则Action=kAllow,否则如下

    • 当EnforcementPolicy等于kJustWarn,则Action=kAllowButWarn,否则如下

    • 当HiddenApiAccessFlags等于kLightGreylist,则Action=kAllowButWarn,否则如下

    • 当HiddenApiAccessFlags等于kDarkGreylist,且等于EnforcementPolicy=kBlacklistOnly,则kAllowButWarnAndToast,否则如下

    • 否则Action=kDeny

    EnforcementPolicy

    EnforcementPolicy的级别如下:

    enum class EnforcementPolicy {kNoChecks = 0,kJustWarn = 1, // 保持检查,一切都允许(仅仅记录日志)kDarkGreyAndBlackList = 2, // 禁止深灰色和黑名单kBlacklistOnly = 3, // 只禁止黑名单kMax = kBlacklistOnly,};
    

    可通过SetHiddenApiEnforcementPolicy来修改Runtime中的成员变量hidden_api_policy_。

    HiddenApiAccessFlags

    HiddenApiAccessFlags的级别如下:

    class HiddenApiAccessFlags {public:enum ApiList {kWhitelist = 0,kLightGreylist,kDarkGreylist,kBlacklist,};}
    

    Action

    Action级别如下:

    enum Action {kAllow, //通过kAllowButWarn, //通过,但日志警告kAllowButWarnAndToast, //通过,且日志警告和弹窗kDeny //拒绝访问};
    

    IsCallerTrusted

    [-> java_lang_Class.cc]

    static bool IsCallerTrusted(Thread* self) REQUIRES_SHARED(Locks::mutator_lock_) {...FirstExternalCallerVisitor visitor(self);visitor.WalkStack;//【见小节2.7.1】return visitor.caller != ptr &&hiddenapi::IsCallerTrusted(visitor.caller->GetDeclaringClass);}
    
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    IsCallerTrusted

    [-> hidden_api.h]

    ALWAYS_INLINEinline bool IsCallerTrusted(ObjPtr<mirror::Class> caller,ObjPtr<mirror::ClassLoader> caller_class_loader,ObjPtr<mirror::DexCache> caller_dex_cache)REQUIRES_SHARED(Locks::mutator_lock_) {if (caller_class_loader.Is) {return true; // Boot classloader,则返回true}if (!caller_dex_cache.Is) {const DexFile* caller_dex_file = caller_dex_cache->GetDexFile;if (caller_dex_file != ptr && caller_dex_file->IsPlatformDexFile) {return true; // caller是平台dex文件,则返回true}}if (!caller.Is &&caller->ShouldSkipHiddenApiChecks &&Runtime::Current->IsJavaDebuggable) {return true; //处于debuggable调试模式且caller已被标记可信任,则返回true}return false;}
    

    caller被认为是可信任的场景如下:

    • 当类加载器是Boot classloader,则返回true

    • 当caller是平台dex文件,则返回true

    • 处于debuggable调试模式且caller已被标记可信任,则返回true

    GetMemberActionImpl

    [-> hidden_api.cc]

    template<typename T>Action GetMemberActionImpl(T* member,HiddenApiAccessFlags::ApiList api_list,Action action,AccessMethod access_method) {//获取签名MemberSignature member_signature(member);Runtime* runtime = Runtime::Current;const bool shouldWarn = kLogAllAccesses || runtime->IsJavaDebuggable;if (shouldWarn || action == kDeny) {//判断是否为可豁免接口【小节2.8.1】if (member_signature.IsExempted(runtime->GetHiddenApiExemptions)) {action = kAllow;MaybeWhitelistMember(runtime, member);return kAllow;}if (access_method != kNone) {//打印包含有关此类成员访问信息的日志消息【小节2.8.2】member_signature.WarnAboutAccess(access_method, api_list);}}...if (action == kDeny) {return action; //拒绝调用}if (access_method != kNone) {// 根据运行时标志的不同,我们可以将成员移动到白名单中,并在下次访问成员时跳过警告。MaybeWhitelistMember(runtime, member);//如果此操作需要UI警告,设置适当的标志if (shouldWarn &&(action == kAllowButWarnAndToast || runtime->ShouldAlwaysSetHiddenApiWarningFlag)) {runtime->SetPendingHiddenApiWarning(true);}}return action;}
    

    GetHiddenApiExemptions

    [-> runtime.h]

    class Runtime {...// SetHiddenApiEnforcementPolicy可修改该值hiddenapi::EnforcementPolicy hidden_api_policy_;//SetHiddenApiExemptions可修改该值std::vector<std::string> hidden_api_exemptions_;...}
    

    GetHiddenApiExemptions是获取Runtime里面的成员变量hidden_api_exemptions_

    WarnAboutAccess

    [-> hidden_api.cc]

    void MemberSignature::WarnAboutAccess(AccessMethod access_method,HiddenApiAccessFlags::ApiList list) {LOG(WARNING) << "Accessing hidden " << (type_ == kField ? "field " : "method ")<< Dumpable<MemberSignature>(*this) << " (" << list << ", " << access_method << ")";
    

    打印包含有关此类成员访问信息的日志消息

    三、总结

    限制原理总结

    (1)从前面的内部API限制过程,可知主要控制逻辑在方法ShouldBlockAccessToMember,调用该方法的核心路径如下:

    kReflection反射过程:

    • Class_newInstance:对象实例化

    • Class_getDeclaredConstructorInternal:构造方法

    • Class_getDeclaredMethodInternal:获取方法

    • Class_getDeclaredField:获取字段

    • Class_getPublicFieldRecursive:获取字段

    kJNI的JNI调用过程:

    • FindMethodID:查找方法

    • FindFieldID:查找字段

    kLinking动态链接:

    • UnstartedClassNewInstance

    • UnstartedClassGetDeclaredConstructor

    • UnstartedClassGetDeclaredMethod

    • UnstartedClassGetDeclaredField

    (2)ShouldBlockAccessToMember过程是否运行主要有如下情况:

    • 当EnforcementPolicy强制不限制的情况

    • 当类加载器是Boot classloader的情况

    • 当caller是平台dex文件的情况

    • 当处于debuggable调试模式且caller已被标记可信任的情况

    • 当GetHiddenApiExemptions为豁免情况

    (3)掌握了ShouldBlockAccessToMember原理,也就可以有的放矢了,突破限制方案,比如:

    • 修改ART的EnforcementPolicy,也就是Runtime中的成员变量hidden_api_policy_,可以基于地址偏移找到相应的成员,这就不就细说

    • 修改隐藏API豁免变量,也就是Runtime中的成员变量hidden_api_exemptions_

    • 修改classLoader为BootClassLoader

    黑白名单

    关于在Android P的几个预览版本一直在不断调整,目前主要是黑名单、浅灰名单、vendor名单这3个名单,对应文件名:hiddenapi-force-blacklist.txt,hiddenapi-light-greylist.txt,hiddenapi-vendor-list.txt。这些文件在编译阶段生成为hiddenapi,记录在access_flags_字段值。整个过程是在hiddenapi.cc过程的CategorizeAllClasses中完成的。

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    目前主要使用的是黑名单和浅灰名单,深灰名单暂没有使用:

    • 黑名单内容:setHiddenApiExemptions

    • 浅灰名单内容:Activity, Service,ContentProvider,ActivityManager, ActivityThread,Application,ContextImpl,Intent等

    非SDK接口说明

    1. 非SDK接口限制适用于所有应用,但是会豁免使用平台密钥签署的应用,并且针对系统app的白名单

    2. 如果你的应用有必须使用非SDK接口的充分理由,可以向Google提交功能请求,并提供用例详情;

    3. 如果你的应用使用很多第三方库,而又难以排除是否正在使用非SDK接口,可以尝试使用AOSP提供的静态分析工具veridex;

    4. 应用运行时检测到非SDK接口的使用,会打印一条Accessing hidden field|method ... 形式的logcat警告。当然对于设置android:debuggable=true的可调试应用会显示toast消息,并打印logcat日志。

    5. 黑名单/灰名单编码在平台dex文件的字段和函数访问标志位中,无法从系统镜像中找到单独包含这些名单的文件。

    6. 黑名单/灰名单在采用相同Android版本是一致的。手机厂商可以向黑名单添加自己的API,但无法从AOSP黑名单或灰名单中移除,Google兼容性定义文件(CDD)来保障这一工作,并在测试过程通过CTS来确保Android运行时强制执行名单。

    7. 目前,Google对Android暂时没有限制访问dex2oat二进制文件的计划,但是dex文件格式无法保证会稳定,可能随时会修改或删除dex2oat以及dex衍生文件。

    Android 7.0针对Native lib引入了namespace来限制平台lib对外的可见性,普通APP在Android N上不能直接调用系统私有库,Android系统允许调用的公用库定义在public.libraries.android.txt。 这个feature只针对target SDK为24及以上的APP。

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    Android 7.0限制对C/C++代码的NDK,Android 9.0限制对Java的SDK。这一以来APP想利用内部API搞黑科技的难度以及不稳定性都会有所增加。

    最后说一点,目前网络有一些开发者发表了关于非SDK接口限制的绕过技术,但基本没有APP是通过这些漏洞方式来突破隐藏API的访问,说明大家有所顾忌,这对生态来说是好事。另外关于绕过技术对于Google和手机厂商都已注意到,要简单封杀容易但可能会带来调试与复杂度的提升,所以Google正在积极寻找平衡接口限制与运行时易于调试之间的平衡,相信很快Google会有更完善的解决方案。

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