第九章 Android Hook框架
在前面的章节中，我们简要介绍了如何将开发的模块内置到系统中，并将其注入到应用程序中执行。而内置并注入第三方开发的工具，与之前介绍的简单内置注入过程没有太大区别。关键步骤是加载工具所依赖的动态库，然后再加载核心业务组件。本章将以几个典型的Hook框架作为例子，展示如何将它们内置在系统中。
通过这些例子，我们可以更深入地理解和学习Hook技术，并掌握如何将其集成到系统中。
9.1 Xposed
Xposed是一个Android Hook框架，它可以在不修改APK文件的情况下改变系统和应用程序的行为。通过开发模块，我们能够对目标进程的Java函数调用进行Hook拦截。然而，要使用该框架中的模块功能，需要将其安装在Root权限的Android设备上。
根据Xposed框架原理衍生出了很多类似的框架，比如Edxposed、Lsposed等等。
在Xposed的架构中，主要包含三个部分：Xposed Installer、Xposed Bridge和Xposed Module。其中，Xposed Installer是用户安装和管理Xposed模块的应用程序；Xposed Bridge是实现系统与模块之间相互通信的核心组件；而Xpoed Module则是开发者使用Xpose API编写并且加载到目标进程中来实现对目标进程函数调用拦截和修改。
运行时, Xpose Installer会通过Android的PackageManager查询已经安装好了那些 app 并将相关信息传递给Xpose Bridge. 当目标app启动时, Xposd bridge就会load相关module到target process中，并建立起相应管道以便后续操作.
编写一个xposed模块主要涉及两个方面:
- 继承 IXpodeHookLoadPackage 接口来完成启动事件监听;
- 使用 xposd API 来进行函数调用拦截和修改.
这些API包括XposedHelpers.findAndHookMethod和XposedHelpers.callMethed等，它们可以帮助我们定位到目标进程中的函数，并对其进行拦截和修改。
本章将详细解析Xposed的原理，学习Xposed如何利用Android的运行机制来实现注入。
9.2 Xposed实现原理
在开始分析Xposed源码前，首先回顾一下第三章中，讲解Android启动流程时，最后根据AOSP的源码得到的以下结论。
zygote进程启动是通过app_process执行程序启动的- 由
init进程解析init.rc时启动的第一个zygote - 在第一个
zygote进程中创建的ZygoteServer，并开始监听消息。 zygote是在ZygoteServer这个服务中收到消息后，再去fork出新进程的- 所有进程均来自于
zygote进程的fork而来，所以zygote是进程的始祖
从上面的结论中可以看到，app_process执行程序在其中占据着非常重要的位置，而Xposed的核心原理，就是将app_process替换为Xposed修改过的app_process，这样就会让所有进程都会通过它的业务逻辑处理。首先找到项目https://github.com/rovo89/Xposed。查看文件Android.mk。
ifeq (1,$(strip $(shell expr $(PLATFORM_SDK_VERSION) \>= 21)))
LOCAL_SRC_FILES := app_main2.cpp
LOCAL_MULTILIB := both
LOCAL_MODULE_STEM_32 := app_process32_xposed
LOCAL_MODULE_STEM_64 := app_process64_xposed
else
LOCAL_SRC_FILES := app_main.cpp
LOCAL_MODULE_STEM := app_process_xposed
endif
可以看到这里是用来编译一个Xposed专用的app_process。当Android版本大于21（Android 5）时，使用app_main2.cpp来编译。接下来查看入口函数的实现。
#define XPOSED_CLASS_DOTS_TOOLS "de.robv.android.xposed.XposedBridge$ToolEntryPoint"
int main(int argc, char* const argv[])
{
...
// 检测Xposed的参数
if (xposed::handleOptions(argc, argv)) {
return 0;
}
...
if (zygote) {
// Xposed 框架的初始化，为后续的 Hook 操作和代码注入操作提供支持。
isXposedLoaded = xposed::initialize(true, startSystemServer, NULL, argc, argv);
runtimeStart(runtime, isXposedLoaded ? XPOSED_CLASS_DOTS_ZYGOTE : "com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
} else if (className) {
isXposedLoaded = xposed::initialize(false, false, className, argc, argv);
runtimeStart(runtime, isXposedLoaded ? XPOSED_CLASS_DOTS_TOOLS : "com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
} else {
fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
app_usage();
LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
return 10;
}
}
在这个特殊的app_process中，首先是对启动进程的参数进行检查，然后初始化Xposed框架，如果初始化成功了，则使用Xposed的入口de.robv.android.xposed.XposedBridge$ToolEntryPoint来替换系统原本的com.android.internal.os.ZygoteInit入口。
xposed::initialize是一个非常关键的函数，它完成了 Xposed 框架的初始化工作。查看实现代码如下。
bool initialize(bool zygote, bool startSystemServer, const char* className, int argc, char* const argv[]) {
#if !defined(XPOSED_ENABLE_FOR_TOOLS)
...
// 将参数保存
xposed->zygote = zygote;
xposed->startSystemServer = startSystemServer;
xposed->startClassName = className;
xposed->xposedVersionInt = xposedVersionInt;
#if XPOSED_WITH_SELINUX
xposed->isSELinuxEnabled = is_selinux_enabled() == 1;
xposed->isSELinuxEnforcing = xposed->isSELinuxEnabled && security_getenforce() == 1;
#else
xposed->isSELinuxEnabled = false;
xposed->isSELinuxEnforcing = false;
#endif // XPOSED_WITH_SELINUX
...
if (startSystemServer) {
if (!determineXposedInstallerUidGid() || !xposed::service::startAll()) {
return false;
}
// 启动Xposed框架的日志记录，将xposed框架日志写入logcat中。
xposed::logcat::start();
// SELinux启用的情况
#if XPOSED_WITH_SELINUX
} else if (xposed->isSELinuxEnabled) {
// 用于启动Xposed框架的 membased 服务，该服务实现hooking功能
if (!xposed::service::startMembased()) {
return false;
}
#endif // XPOSED_WITH_SELINUX
}
// SELinux启用的情况
#if XPOSED_WITH_SELINUX
// 限制内存继承，以确保Xposed服务只能被当前进程和其子进程使用，而不能被其他进程使用
if (xposed->isSELinuxEnabled) {
xposed::service::membased::restrictMemoryInheritance();
}
#endif // XPOSED_WITH_SELINUX
// 是否禁用xposed
if (zygote && !isSafemodeDisabled() && detectSafemodeTrigger(shouldSkipSafemodeDelay()))
disableXposed();
if (isDisabled() || (!zygote && shouldIgnoreCommand(argc, argv)))
return false;
// 将Xposed JAR文件添加到应用程序或服务的类路径中
return addJarToClasspath();
}
在启用SELinux的情况下，Xposed需要使用membased服务来实现hooking功能。但是，为了确保安全性，Xposed需要限制将Xposed服务复制到其他进程中的能力。通过调用restrictMemoryInheritance函数，Xposed会防止任何进程继承Zygote进程的内存，这将确保Xposed服务只能被当前进程和其子进程使用。
初始化完成时，将XposedBridge.jar文件添加到了CLASSPATH环境变量中，查看addJarToClasspath的实现。
#define XPOSED_JAR "/system/framework/XposedBridge.jar"
bool addJarToClasspath() {
ALOGI("-----------------");
if (access(XPOSED_JAR, R_OK) == 0) {
if (!addPathToEnv("CLASSPATH", XPOSED_JAR))
return false;
ALOGI("Added Xposed (%s) to CLASSPATH", XPOSED_JAR);
return true;
} else {
ALOGE("ERROR: Could not access Xposed jar '%s'", XPOSED_JAR);
return false;
}
}
初始化成功后，接着继续追踪替换后的入口点de.robv.android.xposed.XposedBridge$ToolEntryPoint，该入口点的实现是在XposedBridge.jar中。查看项目https://github.com/rovo89/XposedBridge，文件XposedBridge.java的实现代码如下。
package de.robv.android.xposed;
public final class XposedBridge {
protected static final class ToolEntryPoint {
protected static void main(String[] args) {
isZygote = false;
XposedBridge.main(args);
}
}
protected static void main(String[] args) {
// 初始化Xposed框架和模块
try {
if (!hadInitErrors()) {
initXResources();
SELinuxHelper.initOnce();
SELinuxHelper.initForProcess(null);
runtime = getRuntime();
XPOSED_BRIDGE_VERSION = getXposedVersion();
if (isZygote) {
// hook Android 资源系统
XposedInit.hookResources();
// 初始化 Xposed 框架的 zygote 进程，创建用于跨进程通信的 Binder 对象，并注册相关的 Service。这样就能够实现跨进程的 Hook 功能
XposedInit.initForZygote();
}
// 加载Xposed模块
XposedInit.loadModules();
} else {
Log.e(TAG, "Not initializing Xposed because of previous errors");
}
} catch (Throwable t) {
Log.e(TAG, "Errors during Xposed initialization", t);
disableHooks = true;
}
// 调用原始应用的入口
if (isZygote) {
ZygoteInit.main(args);
} else {
RuntimeInit.main(args);
}
}
}
到这里，Xposed的启动流程基本完成了，Xposed首先替换原始的app_process，让每个进程启动时使用自己的app_process_xposed，在执行zygote入口函数前，先初始化了自身的环境，然后每个进程后是先进入的XposedBridge，在完成自身的逻辑后，才调用zygote的入口函数，进入应用正常启动流程。这也意味着，对于系统定制者来说，所谓的Root权限才能使用Xposed并不是必须的。最后看看loadModules的实现，是如何加载Xposed模块的。
private static final String INSTANT_RUN_CLASS = "com.android.tools.fd.runtime.BootstrapApplication";
// 加载模块列表
static void loadModules() throws IOException {
final String filename = BASE_DIR + "conf/modules.list";
BaseService service = SELinuxHelper.getAppDataFileService();
if (!service.checkFileExists(filename)) {
Log.e(TAG, "Cannot load any modules because " + filename + " was not found");
return;
}
// 拿到顶端的ClassLoader
ClassLoader topClassLoader = XposedBridge.BOOTCLASSLOADER;
ClassLoader parent;
while ((parent = topClassLoader.getParent()) != null) {
topClassLoader = parent;
}
// 读取模块列表
InputStream stream = service.getFileInputStream(filename);
BufferedReader apks = new BufferedReader(new InputStreamReader(stream));
String apk;
// 使用顶端ClassLoader加载每个模块
while ((apk = apks.readLine()) != null) {
loadModule(apk, topClassLoader);
}
apks.close();
}
private static void loadModule(String apk, ClassLoader topClassLoader) {
Log.i(TAG, "Loading modules from " + apk);
if (!new File(apk).exists()) {
Log.e(TAG, " File does not exist");
return;
}
DexFile dexFile;
try {
dexFile = new DexFile(apk);
} catch (IOException e) {
Log.e(TAG, " Cannot load module", e);
return;
}
// 如果加载成功，说明该应用启用了 Instant Run
if (dexFile.loadClass(INSTANT_RUN_CLASS, topClassLoader) != null) {
Log.e(TAG, " Cannot load module, please disable \"Instant Run\" in Android Studio.");
closeSilently(dexFile);
return;
}
// 尝试在目标模块中加载XposedBridge类，可以获取到说明已经成功注入XposedBridge
if (dexFile.loadClass(XposedBridge.class.getName(), topClassLoader) != null) {
Log.e(TAG, " Cannot load module:");
Log.e(TAG, " The Xposed API classes are compiled into the module's APK.");
Log.e(TAG, " This may cause strange issues and must be fixed by the module developer.");
Log.e(TAG, " For details, see: http://api.xposed.info/using.html");
closeSilently(dexFile);
return;
}
closeSilently(dexFile);
// 由于模块实际都是apk，而apk本质是压缩包，所以使用Zip来处理文件
ZipFile zipFile = null;
InputStream is;
try {
zipFile = new ZipFile(apk);
// 解压出xposed_init文件，这里存放着模块启动的入口
ZipEntry zipEntry = zipFile.getEntry("assets/xposed_init");
if (zipEntry == null) {
Log.e(TAG, " assets/xposed_init not found in the APK");
closeSilently(zipFile);
return;
}
is = zipFile.getInputStream(zipEntry);
} catch (IOException e) {
Log.e(TAG, " Cannot read assets/xposed_init in the APK", e);
closeSilently(zipFile);
return;
}
// 动态加载模块
ClassLoader mcl = new PathClassLoader(apk, XposedBridge.BOOTCLASSLOADER);
BufferedReader moduleClassesReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
try {
String moduleClassName;
while ((moduleClassName = moduleClassesReader.readLine()) != null) {
moduleClassName = moduleClassName.trim();
if (moduleClassName.isEmpty() || moduleClassName.startsWith("#"))
continue;
try {
// 加载模块的入口类
Log.i(TAG, " Loading class " + moduleClassName);
Class<?> moduleClass = mcl.loadClass(moduleClassName);
// 检查该类是否有实现接口
if (!IXposedMod.class.isAssignableFrom(moduleClass)) {
Log.e(TAG, " This class doesn't implement any sub-interface of IXposedMod, skipping it");
continue;
} else if (disableResources && IXposedHookInitPackageResources.class.isAssignableFrom(moduleClass)) {
Log.e(TAG, " This class requires resource-related hooks (which are disabled), skipping it.");
continue;
}
// 使用该类初始化一个对象
final Object moduleInstance = moduleClass.newInstance();
if (XposedBridge.isZygote) {
// 不同的实现接口有各自对应的处理，这里是Zygote模块初始化时使用的模块
if (moduleInstance instanceof IXposedHookZygoteInit) {
IXposedHookZygoteInit.StartupParam param = new IXposedHookZygoteInit.StartupParam();
param.modulePath = apk;
param.startsSystemServer = startsSystemServer;
((IXposedHookZygoteInit) moduleInstance).initZygote(param);
}
// 普通应用的模块接口
if (moduleInstance instanceof IXposedHookLoadPackage)
// 调用了模块中的实现。
XposedBridge.hookLoadPackage(new IXposedHookLoadPackage.Wrapper((IXposedHookLoadPackage) moduleInstance));
if (moduleInstance instanceof IXposedHookInitPackageResources)
XposedBridge.hookInitPackageResources(new IXposedHookInitPackageResources.Wrapper((IXposedHookInitPackageResources) moduleInstance));
} else {
if (moduleInstance instanceof IXposedHookCmdInit) {
IXposedHookCmdInit.StartupParam param = new IXposedHookCmdInit.StartupParam();
param.modulePath = apk;
param.startClassName = startClassName;
((IXposedHookCmdInit) moduleInstance).initCmdApp(param);
}
}
} catch (Throwable t) {
Log.e(TAG, " Failed to load class " + moduleClassName, t);
}
}
} catch (IOException e) {
Log.e(TAG, " Failed to load module from " + apk, e);
} finally {
closeSilently(is);
closeSilently(zipFile);
}
}
分析完加载模块的实现后，这时就明白模块开发时定义的入口是如何被调用的，以及被调用的时机在哪里。理解其中的原理后，同样可以自己进行修改，在其他的时机来选择注入。用自己的方式来定义模块。
9.3 常见的hook框架
根据Xposed的源码分析不难看出其关键在于XposedBridge.jar的注入，然后由XposedBridge.jar实现对函数Hook的关键逻辑，因为Xposed框架提供了非常方便和灵活的API，使得开发者可以快速地编写自己的Hook模块并且可以兼容大多数Android系统版本和设备。所以很多Hook框架都会兼容支持Xposed框架。
SandHook是作用在Android ART虚拟机上的Java层Hook框架，作用于进程内是不需要Root的，支持Android 4.4 - Android 10，该框架兼容Xposed Api调用。
除了支持常规的Java层Hook外，Sandhook还支持对Native层的函数进行Hook。它通过使用系统提供的符号表来获取函数地址，并将函数地址转换为可执行代码，从而实现Native Hook。
Sandhook本身是没有注入功能的，开发完模块功能后，需要自行重打包，或者使用其他工具将模块注入。从开发AOSP的角度，可以参考前文内置JAR包的做法，直接将Sandhook内置到AOSP系统中，并实现对任意进程自动注入。
pine是一个在虚拟机层面、以Java方法为粒度的运行时动态Hook框架，它可以拦截本进程内几乎所有的java方法调用。支持Android 4.4 - Android 12。同样该框架也兼容Xposed Api调用。Pine支持两种方案，一种是替换入口，即修改ArtMethod的entrypoint；另一种类似于native的inline hook，即覆盖掉目标方法的代码开始处的一段代码，用于弥补Android 8.0以下版本入口替换很有可能不生效的问题。
Dobby是一个基于Android NDK开发的Native Hook框架。它可以在Android应用程序中注入自定义代码段，从而实现函数替换、跳转、插桩等操作。Dobby主要使用了动态链接库和指令重写技术，通过Hook目标进程中的函数来达到修改目的。
相比Java层的Hook框架，Native Hook有一些优势。首先，Native Hook可以直接操作目标进程的内存空间，更加灵活；其次，Native Hook可以通过指令重写技术来控制执行流程，效果更加精准；最后，Native Hook避免了Java层Hook可能引起的兼容性问题，适用范围更广。
9.4 集成dobby
集成方式与pine相同，首先开发一个使用dobby的样例，然后将其中的依赖动态库集成到系统中，最后在进程启动的过程中，将其加载即可。由于dobby是对native函数进行hook的，所以Android Studio创建一个native c++的项目，然后使用git将dobby项目拉取下来。项目地址：https://github.com/jmpews/Dobby。然后修改项目中cpp目录下的CMakeLists.txt文件，将dobby加入其中。修改如下。
cmake_minimum_required(VERSION 3.18.1)
// 设置dobby源码的目录
set(DobbyHome ~/git_src/Dobby)
enable_language(C ASM)
include_directories(
dlfc
utils
)
project("mydobby")
add_library(
mydobby
SHARED
native-lib.cpp)
find_library(
log-lib
log)
target_link_libraries(
mydobby
dobby
${log-lib})
# 使用设置的路径,引入Dobby
include_directories(
${DobbyHome}/include
${DobbyHome}/source
${DobbyHome}/builtin-plugin
${DobbyHome}/builtin-plugin/AndroidRestriction
${DobbyHome}/builtin-plugin/SymbolResolver
${DobbyHome}/external/logging
)
macro(SET_OPTION option value)
set(${option} ${value} CACHE INTERNAL "" FORCE)
endmacro()
SET_OPTION(DOBBY_DEBUG ON)
SET_OPTION(DOBBY_GENERATE_SHARED ON)
SET_OPTION(Plugin.LinkerLoadCallback OFF)
add_subdirectory(~/git_src/Dobby dobby.build)
if(${CMAKE_ANDROID_ARCH_ABI} STREQUAL "arm64-v8a")
add_definitions(-DCORE_SO_NAME="${LIBRARY_NAME}")
elseif(${CMAKE_ANDROID_ARCH_ABI} STREQUAL "armeabi-v7a")
add_definitions(-DCORE_SO_NAME="${LIBRARY_NAME}")
endif()
将dobby的源码引入后，就可以在项目中使用dobby进行hook处理了。修改native-lib.cpp文件，添加测试的hook代码，内容如下。
#include <jni.h>
#include <string>
#include <android/log.h>
#include "dobby.h"
#define LOG_TAG "native-lib"
#define ALOGD(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG , LOG_TAG, __VA_ARGS__)
int (*source_openat)(int fd, const char *path, int oflag, int mode) = nullptr;
// 替换后的新函数
int MyOpenAt(int fd, const char *pathname, int flags, int mode) {
ALOGD("[ROM] MyOpenAt pathname :%s",pathname);
if (strcmp(pathname, "/sbin/su") == 0 || strcmp(pathname, "/system/bin/su") == 0) {
pathname = "/system/xbin/Mysu";
}
// 执行原来的openat函数
return source_openat(fd, pathname, flags, mode);
}
void HookOpenAt() {
// 找到函数对应的地址
void *__openat =
DobbySymbolResolver("libc.so", "__openat");
if (__openat == nullptr) {
ALOGD("__openat null ");
return;
}
ALOGD("拿到 __openat 地址 ");
//dobby hook 函数
if (DobbyHook((void *) __openat,
(dobby_dummy_func_t) MyOpenAt,
(dobby_dummy_func_t*) &source_openat) == RT_SUCCESS) {
ALOGD("DobbyHook __openat sucess");
}
}
jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
ALOGD("Hello JNI_OnLoad 开始加载");
JNIEnv *env = nullptr;
//改变openat 指定函数 函数地址 替换成自己的
HookOpenAt();
if (vm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_6) == JNI_OK) {
return JNI_VERSION_1_6;
}
return 0;
}
样例应用准备完毕，将该样例编译并运行后，就能成功看到对openat进行hook的输出如下。
...
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/vendor/gpu/esx_config_cn.rom.devchangemodule.txt
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/vendor/gpu/esx_config.txt
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/misc/gpu/esx_config_cn.rom.devchangemodule.txt
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/misc/gpu/esx_config.txt
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/vendor/gpu/esx_config_cn.rom.devchangemodule.txt
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/vendor/gpu/esx_config.txt
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/misc/gpu/esx_config_cn.rom.devchangemodule.txt
D [ROM] MyOpenAt pathname :/data/misc/gpu/esx_config.txt
...
接下来将该样例应用编译的apk文件进行解压，在lib目录中找到依赖的动态库，分别是libdobby.so和libmydobby.so，其中前者是hook框架的核心库，后者是刚刚对openat进行hook的业务代码。只需要在任何进程启动前，按顺序将依赖的核心动态库，和业务代码加载，即可完成集成的工作，libdobby.so可以选择集成到系统中，也可以选择跟业务代码动态库一起放同一个目录进行加载。下面看实现加载的代码。
private static void loadSoModule(String soName){
String soPath="";
if(System.getProperty("os.arch").indexOf("64") >= 0) {
soPath = String.format("/data/data/cn.rom.dobbydemo/%s", soName);
}else{
soPath = String.format("/data/data/cn.rom.dobbydemo/%s", soName);
}
File file = new File(soPath);
if (file.exists()){
Log.e("[ROM]", "load so "+soPath);
System.load(tmpPath);
Log.e("[ROM]", "load over so "+soPath);
}else{
Log.e("[ROM]", "load so "+soPath+" not exist");
}
}
private void handleBindApplication(AppBindData data) {
...
app = data.info.makeApplication(data.restrictedBackupMode, null);
// Propagate autofill compat state
app.setAutofillOptions(data.autofillOptions);
// Propagate Content Capture options
app.setContentCaptureOptions(data.contentCaptureOptions);
sendMessage(H.SET_CONTENT_CAPTURE_OPTIONS_CALLBACK, data.appInfo.packageName);
mInitialApplication = app;
// 非系统进程则注入jar包
int flags = mBoundApplication == null ? 0 : mBoundApplication.appInfo.flags;
if(flags>0&&((flags&ApplicationInfo.FLAG_SYSTEM)!=1)){
loadSoModule("libdobby.so");
loadSoModule("libmydobby.so");
}
}
这只是一个简单的加载样例演示。在安装目标应用后，还需要将两个动态库拷贝到相应的目录中。在实际运用场景中，我们尽量不要将动态库路径和要加载的库名称固定写入源代码中。最好通过配置的方式来管理这些需要加载的参数。
为了确保加载动态库成功，需要确保目录具有执行权限，并且最好将文件放在当前应用程序的私有目录中。
完成修改后，无论安装任何应用程序并打开它时，都会被hook openat函数。
9.5 本章小结
本章主要介绍了安卓系统上一些常见的Hook框架。以及讲解了如何修改系统代码，集成Hook框架到系统中。Hook框架由于其特性，检测与反检测技术也是安全领域时常讨论的话题，本书不深入讨论，有兴趣的朋友可以网络上搜索相应的文章与工具。这种方式最大的优点是，集成的自定义的框架具有较高的权限与隐蔽性，缺点也很明显，就是框架代码的升级比较麻烦，可能需要重新编译修改ROM与替换系统文件。