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# 第十一章 反调试
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## 11.1 反调试常见手段
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在`Android`逆向分析中，最常见的情况就是攻防的对抗，攻击者通过对样本进行静态分析，以及动态调试等手段，获取想要的信息。而保护方则通过对混淆，以及多种加固方式，来对自己的重要信息进行保护。例如使用加固的手段来干扰攻击者的静态分析，通过检测环境来对抗攻击者注入`hook`函数，添加各种检测调试来阻止攻击者动态分析。
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`ptrace`是`Linux`操作系统提供的一个系统调用，它允许一个进程监控另一个进程的执行，并能够在运行时修改它的寄存器和内存等资源。`ptrace`通常被用于调试应用程序、分析破解软件以及实现进程间沙盒隔离等场景。
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使用`ptrace`来监控目标进程时，需要以`tracer`(追踪者)的身份启动一个新的进程，然后通过`ptrace`函数来请求操作系统将目标进程挂起并转交给`tracer`进程。一旦目标进程被挂起，`tracer`进程就可以读写其虚拟地址空间中的数据、修改寄存器值、单步执行指令等操作。当`tracer`完成了对目标进程的调试操作后，可以通过`ptrace`函数将控制权还原到目标进程上，使其继续执行。
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由于`ptrace`功能的强大，它也被广泛应用于破解软件、恶意攻击等场景。因此，在一些安全敏感的场合，为了防止恶意攻击者使用`ptrace`来监控和修改进程的行为，需要采取一些反调试的手段来加强保护。
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### 11.1.1 根据文件检测
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通过在被保护程序中定期检测其父进程是否为指定的`tracer`进程，可以避免恶意攻击者使用`ptrace`跟踪程序的执行流程。
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接下来写一个简单的实例来进行测试。`Android Studio`创建`native c++`的项目。修改函数如下。
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```c++
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#include <jni.h>
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#include <string>
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#include <unistd.h>
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#include <android/log.h>
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#define LOG_TAG "native-lib"
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#define ALOGD(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG , LOG_TAG, __VA_ARGS__)
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extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
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Java_cn_mik_nativedemo_MainActivity_stringFromJNI(
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JNIEnv* env,
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jobject /* this */) {
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std::string hello = "Hello from C++";
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int ppid= getppid();
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ALOGD("my ppid=%d",ppid);
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return env->NewStringUTF(hello.c_str());
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}
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```
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然后添加一个按钮，每次点击时则调用该函数，便于随时观测到`ppid`的变化。
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```java
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Button btn1;
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@Override
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protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
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super.onCreate(savedInstanceState);
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binding = ActivityMainBinding.inflate(getLayoutInflater());
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setContentView(binding.getRoot());
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TextView tv = binding.sampleText;
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tv.setText(stringFromJNI());
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btn1=findViewById(R.id.button);
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btn1.setOnClickListener(v->{
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tv.setText(stringFromJNI());
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});
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}
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```
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在调用该函数时，就会打印其`ppid`（父进程`id`）。运行该函数后输出如下。
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```
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cn.mik.nativedemo D/native-lib: my ppid=1053
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```
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然后查看该进程`id`对应哪个进程。
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```
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adb shell
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ps -e|grep 1053
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// 输出如下
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root 1053 1 14644500 115568 0 0 S zygote64
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```
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发现该进程是`zygote`进程，说明没有被调试。接下来使用`ida`调试该进程。找到`ida`下的`dbgsrv`目录，将其中的`android_server64`拷贝到`Android`系统中，将调试的端口`23946`转发到本地。并且将该服务启动起来，操作如下。
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```
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adb push "D:\tools\IDA Pro 7.6\dbgsrv\android_server64" /data/local/tmp/
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adb forward tcp:23946 tcp:23946
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adb shell
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cd /data/local/tmp/
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chmod +x ./android_server64
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su
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./android_server64
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```
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接下来打开`ida`，选择`Debugger->Attach->Remote Arm linux/android debugger`，在`hostname`选项中填本地回环地址`127.0.0.1`，如下图。
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点击`ok`后，则会展示所有`Android`中的进程，在其中进行过滤，找到目标进程。如下图
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成功挂起调试后，检查日志中的 `ppid`，发现并没有任何变化，依然是`zygote`作为父进程。
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当使用 `IDA` 进行调试时，`IDA` 会创建一个调试器进程，并将其作为目标进程的父进程。但是，由于目标进程最初是由 `zygote `进程` fork `出来的，因此在查询其父进程` id` 时，仍然会返回` zygote `进程的 `id`。这并不意味着调试器进程没有被正确设置为目标进程的父进程。实际上，在`IDA`调试过程中，目标进程的执行状态确实是由调试器进程所控制的。因此，即使查询到的父进程`id`不正确，也不会影响`IDA`对目标进程的控制和调试操作。
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尽管查询`ppid`无法判断出进程被调试了，但是依然有其他地方会出现被调试的信息，例如`/proc/<pid>/status`文件中的字段`TracerPid`，就能看到调试进程的`id`。下面查看该文件。
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```
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// 没有调试时的文件内容
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Name: .mik.nativedemo
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Umask: 0077
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State: S (sleeping)
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Tgid: 7759
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Ngid: 0
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Pid: 7759
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PPid: 1053
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TracerPid: 0
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// ida附加调试后的文件内容
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Name: .mik.nativedemo
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Umask: 0077
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State: t (tracing stop)
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Tgid: 7759
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Ngid: 0
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Pid: 7759
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PPid: 1053
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TracerPid: 7525
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```
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查看该`id`对应哪一个进程。
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```
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ps -e|grep 7525
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// 显示结果
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root 7525 7523 10803524 33392 0 0 S android_server64
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```
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除了`status`文件外，`/proc/<pid>/wchan`文件同样可以用来检测。下面是调试附加前，和附加后的对比。
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```
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// 附加前
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SyS_epoll_wait
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// 附加后，中断时
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ptrace_stop
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```
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文件`/proc/<pid>/stat`也可以用来检测，当进程被中断等待时，内容将会由`S`变成`t`。对比如下。
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```
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// 附加前
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S 1027 1027 0 0 -1 1077952832 29093 4835 0 0 81 9 0 0 20 0 19 0 424763 15088168960 24716 18446744073709551615 1 1 0 0 0 0 4612 1 1073775864 0 0 0 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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// 附加后
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t 1027 1027 0 0 -1 1077952832 29405 4835 0 0 81 9 0 0 20 0 19 0 424763 15088168960 24987 18446744073709551615 1 1 0 0 0 0 4612 1 1073775864 0 0 0 17 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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```
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### 11.1.2 根据ptrace的特性检测
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由于动态调试基本都是依赖`ptrace`对进程追踪，那么可以通过了解`ptrace`的使用特性，来针对性的检查自身是否被调试了。由于`ptrace`附加进程时，目标进程同时只能被一个进程附加，第二次附加就会失败，那么通过对自身进行`ptrace`处理，如果发现对自己进行附加失败，说明已经被调试了。同时对自身附加后，也能阻止其他进程再对其进行附加调试。下面看实现代码。
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```c++
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extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
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Java_cn_mik_nativedemo_MainActivity_stringFromJNI(
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JNIEnv* env,
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jobject /* this */) {
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std::string hello = "Hello from C++";
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prctl(PR_SET_PTRACER, PR_SET_PTRACER_ANY, 0, 0, 0);
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pid_t pid = getpid();
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int ret=ptrace(PTRACE_TRACEME,pid, 0, 0);
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// 检测是否正在被调试
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if (ret < 0) {
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ALOGD("I'm being debugged! %d\n",ret);
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} else {
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ALOGD("Not being debugged %d\n",ret);
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}
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return env->NewStringUTF(hello.c_str());
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}
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```
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在`AOSP12`中，为了增强`Android`系统的安全性，`Google`限制了应用程序使用`ptrace`对自身进行调试。在当前进程中调用`ptrace(PTRACE_TRACEME)`函数将始终返回-1。但是我们可以创建一个子进程，来进行测试。下面是调整后的代码。
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```c++
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extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
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Java_cn_mik_nativedemo_MainActivity_stringFromJNI(
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JNIEnv* env,
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jobject /* this */) {
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std::string hello = "Hello from C++";
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pid_t mypid = getpid();
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pid_t pid = fork();
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if (pid == -1) {
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perror("fork");
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exit(1);
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} else if (pid == 0 ) {
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// 这里是子进程的代码
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ALOGD("I'm child process, my PID is %d\n", getpid());
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int ret=ptrace(PTRACE_TRACEME,0, 0, 0);
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// 检测是否正在被调试
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if (ret < 0) {
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ALOGD("I'm being debugged! %d\n",ret);
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} else {
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ALOGD("Not being debugged %d\n",ret);
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sleep(30);
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}
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} else {
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// 这里是父进程的代码
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ALOGD("I'm parent process, my PID is %d and my child's PID is %d\n", mypid, pid);
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}
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return env->NewStringUTF(hello.c_str());
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}
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```
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然后使用`ida`尝试对子进程进行调试，发现无法正常附加该进程了，错误如下。
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### 11.1.3 其他检测方式
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除了以上这两种比较常见的检测方式外，还有很多种方式进行检测，这些检测大多都是围绕着调试过程会产生的特征来进行检测，在真实的保护场景下，开发者会结合多种方案检测来防止被攻击者动态调试。以下是其他检测方案的介绍。
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* `Android`本身提供的`api`判断是否被调试中，`android.os.Debug.isDebuggerConnected()`，这样的检测方法非常容易被`Hook`修改替换。
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* 调试器默认端口检测，例如`ida`默认使用的`23946`，以及调试进程名检测，例如前文中看到的`android_server`进程名称，这种检测方式同样很容易被处理，攻击者会修改默认端口，以及进程名称。
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* 运行效率检测，在函数执行过程计算执行消耗的时间，正常情况下执行效率是非常快的，如果时间较长，说明很有可能被人单步调试中。这种方式属于后知后觉，并不能根本性的阻止对方调试。
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* 断点指令检测，调试器在调试时，会在`so`的代码部分插入`breakpoint`指令，可以通过获取目标`so`的可执行部分，搜索其中是否存在断点的指令。
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* `ro.debuggable`是一个系统级属性，当在调试模式时，该值为1，否则是0，所以有时也会被拿来检测是否被调试中。
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除了一些常规的检测反调试，还有一些措施是针对反反调试的，例如通常情况下，检测`/proc/<pid>/status`中的`TracerPid`来判断是否被调试了，而开发者同时也知道，攻击者会选择将`status`文件重定向，或者采取其他方式，让`TracerPid`固定返回0，而这种情况，可以先检测，是否有攻击者将`status`文件进行的特殊出合理，例如先对自己的进程使用`ptrace`，然后检测`status`中的`TracerPid`是否有变更，如果结果为0，说明是被攻击者使用某种手段篡改了该值。
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由于大多数情况下，反调试手段会被攻击者使用各种`Hook`的方式进行替换处理，所以有些开发者会采用非常规的手段来获取，用来判断是否为调试状态的信息。例如内联汇编通过`svc`来执行对应的系统调用。
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## 11.2 系统层面的反调试
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了解常见的反调试检测后，就可以对症进行修改，这些修改并不会完美解决反调试的所有问题，主要是处理掉一些常规的检测办法。来尽量减少分析成本。下面开始简单的对几种检测方式进行修改处理。
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然后修改属性`ro.debuggable`的值，让其固定显示为0，修改文件`build/make/core/main.mk`，修改代码如下。
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```
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# ADDITIONAL_SYSTEM_PROPERTIES += ro.debuggable=1
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ADDITIONAL_SYSTEM_PROPERTIES += ro.debuggable=0
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```
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函数`__android_log_is_debuggable`是`AOSP`中用来快速获取`ro.debuggable`属性的，将该函数默认返回值修改为1。修改如下。
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```c++
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int __android_log_is_debuggable() {
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return 1;
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// static int is_debuggable = [] {
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// char value[PROP_VALUE_MAX] = {};
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// return __system_property_get("ro.debuggable", value) > 0 && !strcmp(value, "1");
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// }();
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//
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// return is_debuggable;
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}
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```
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除此之外，还有多个针对文件检测的处理，修改文件`android-kernel/private/msm-google/fs/proc/array.c`，修改如下。
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```c++
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static inline void task_state(struct seq_file *m, struct pid_namespace *ns,
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struct pid *pid, struct task_struct *p)
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{
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struct user_namespace *user_ns = seq_user_ns(m);
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struct group_info *group_info;
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int g, umask;
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struct task_struct *tracer;
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const struct cred *cred;
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pid_t ppid, tpid = 0, tgid, ngid;
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unsigned int max_fds = 0;
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rcu_read_lock();
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ppid = pid_alive(p) ?
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task_tgid_nr_ns(rcu_dereference(p->real_parent), ns) : 0;
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tracer = ptrace_parent(p);
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if (tracer)
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tpid = task_pid_nr_ns(tracer, ns);
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||
// 固定tpid为0
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tpid=0;
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||
...
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}
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```
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在这里的`tpid`就是前文中`status`中的`TracerPid`。被调试时，该值将是调试进程`id`，但是考虑到刚刚说的反反调试检测的情况，不能直接固定将文件中的调试特征去掉，而是添加控制，当我们需要调试时，才让其调试的特征不要被检测。这里可以通过应用层和内核层交互，传递参数过来，当该参数的值为1时，就修改其过滤掉调试特征。这里就不详细展开了，继续看下一个特征的修改。
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同样是在这个文件中，修改函数`get_task_state`，这里同样可以优化成，由值来控制是否使用新的数组，修改内容如下。
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```c++
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static const char * const task_state_array[] = {
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"R (running)", /* 0 */
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"S (sleeping)", /* 1 */
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||
"D (disk sleep)", /* 2 */
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||
"T (stopped)", /* 4 */
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||
"t (tracing stop)", /* 8 */
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||
"X (dead)", /* 16 */
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||
"Z (zombie)", /* 32 */
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||
};
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||
// 将上面的数组拷贝一个，将T (stopped) 和t (tracing stop)都修改为S (sleeping)
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static const char * const task_state_array_no_debug[] = {
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||
"R (running)", /* 0 */
|
||
"S (sleeping)", /* 1 */
|
||
"D (disk sleep)", /* 2 */
|
||
"S (sleeping)", /* 4 */
|
||
"S (sleeping)" , /* 8 */
|
||
"X (dead)", /* 16 */
|
||
"Z (zombie)", /* 32 */
|
||
};
|
||
|
||
static inline const char *get_task_state(struct task_struct *tsk)
|
||
{
|
||
unsigned int state = (tsk->state | tsk->exit_state) & TASK_REPORT;
|
||
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||
/*
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||
* Parked tasks do not run; they sit in __kthread_parkme().
|
||
* Without this check, we would report them as running, which is
|
||
* clearly wrong, so we report them as sleeping instead.
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*/
|
||
if (tsk->state == TASK_PARKED)
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||
state = TASK_INTERRUPTIBLE;
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||
// 修改使用新定义的数组
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||
BUILD_BUG_ON(1 + ilog2(TASK_REPORT) != ARRAY_SIZE(task_state_array_no_debug)-1);
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||
// 使用新定义的数组
|
||
return task_state_array_no_debug[fls(state)];
|
||
}
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```
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||
最后处理`wchan`的对应代码，修改文件`android-kernel/private/msm-google/fs/proc/base.c`，相关修改如下。
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```c++
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static int proc_pid_wchan(struct seq_file *m, struct pid_namespace *ns,
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||
struct pid *pid, struct task_struct *task)
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||
{
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unsigned long wchan;
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char symname[KSYM_NAME_LEN];
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wchan = get_wchan(task);
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if (wchan && ptrace_may_access(task, PTRACE_MODE_READ_FSCREDS)
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&& !lookup_symbol_name(wchan, symname))
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seq_printf(m, "%s", symname);
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else{
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||
// add
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if (strstr(symname,"trace")){
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||
seq_printf(m, "%s", "SyS_epoll_wait");
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||
}
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||
// addend
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seq_putc(m, '0');
|
||
}
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return 0;
|
||
}
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```
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## 11.3 Android下的硬件断点
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在调试中，可以通过对程序下不同类型的断点，来辅助分析代码，其中最常见的就是软件断点，软件断点是通过将原有的指令进行替换，在`ARM64`架构中，软件断点通常是通过将原有的指令替换为`BRK`指令`（opcode为0xD4200000）`来实现的。当程序执行到该指令时，处理器会触发一个异常`（trap exception）`，从而停止程序的运行。
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在软件断点的基础上添加条件判断，就是一个条件断点了，只有满足指定条件才会触发该软件断点。
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内存断点，是通过修改指定内存的访问属性，让其触发异常，来实现中断的效果。在程序运行时，将要监视的内存地址标记为不可访问，当程序尝试访问该地址时，会触发一个异常，并且操作系统会中断该进程的执行。然后，调试器会根据异常信息来确定是哪个内存地址引起了中断，并且可以进行相应的处理和调试工作。内存断点的实现与硬件断点或软件断点不同，它需要操作系统提供的支持才能实现。由于内存断点的实现需要修改系统的内存映射表等底层数据结构，因此可能会影响程序的性能和稳定性。应该谨慎地选择要监视的内存地址，并避免过多地使用内存断点。
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### 11.3.1 什么是硬件断点
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硬件断点是通过CPU内置的调试功能实现的。当程序执行到设置了硬件断点的地址时，CPU会发出一个异常信号，从而让操作系统停止当前进程的执行。然后，操作系统将控制权转移给调试器，并通知调试器哪个线程触发了异常，以便调试器可以进行相应的调试工作。
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在ARM架构下，硬件断点主要有两种类型：执行断点和数据断点。执行断点可以用于监视代码执行，当程序尝试执行指定的指令时触发中断；数据断点则可以用于监视内存读写操作，当程序尝试访问指定的内存地址时触发中断。执行断点和数据断点都由CPU硬件实现，因此响应速度很快，但数量有限。
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### 11.3.2 开启Android的硬件调试
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在开始硬件断点的使用前，首先要进行环境的准备，下面的测试案例将使用`22.0`版本`ndk`中的`gdb`来调试。然后检查当前内核编译选项中是否开启了硬件断点支持。下面是查询过程。
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```bash
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adb shell
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zcat /proc/config.gz |grep -i BREAKPOINT
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// 显示内容如下
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CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT=y
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```
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如果你的结果显示为`n`，则说明需要在内核中修改配置，不要直接去修改`defconfig`配置，而是使用命令生成`.config`文件，然后修改`.config`文件，再由该文件生成对应的`defconfig`，再将其覆盖原文件，最后重新编译。具体的操作过程如下。
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```
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cd /root/android_src/android-kernel/private/msm-google
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// b1c1_defconfig是当前设备使用的对应配置，b1c1表示的是pixel3和pixel3 XL的代号
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// 第一步会在当前目录生成.config文件
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make ARCH=arm64 b1c1_defconfig
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// 使用图形界面来开启配置，修改完成后记得保存
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make ARCH=arm64 menuconfig
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// 如果不想在图形界面编辑，可以直接修改.config文件
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vim .config
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// 添加选项
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||
CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT=y
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CONFIG_HAVE_ARCH_TRACEHOOK=y
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||
// 选项添加完成后，保存配置，将会生成新的b1c1_defconfig文件
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||
make ARCH=arm64 savedefconfig
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// 替换原文件
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||
cp defconfig arch/arm64/configs/b1c1_defconfig
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cd /root/android_src/android-kernel
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// 重新编译
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./build/build.sh
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编译完成，重新刷入手机后，再次查询配置就能看到该选项被开启了。
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`GEF（GDB Enhanced Features）`是一个用于`GDB`调试器的`Python`扩展框架，提供了一些额外的功能，使得在调试过程中更加便捷和高效。`GEF`具有丰富的命令行界面和可扩展性，可以通过编写`Python`脚本来自定义其功能。以下是`GEF`的特点：
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1. 命令行界面友好：`GEF`提供了易于使用的命令行界面，支持自动补全、历史记录和语法高亮等功能，使得调试过程更加简单和快速。
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2. 调试功能强大：`GEF`提供了一系列额外的调试功能，如内存断点、硬件断点、`ASM`混淆解析等，可以显著提高调试效率。
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3. 可扩展性好：`GEF`基于`Python`开发，支持编写自定义脚本来扩展其功能，用户可以根据自己的需求进行定制化。
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4. 平台支持广泛：`GEF`支持多种操作系统和处理器架构，如`Linux、macOS、Windows`，以及`ARM、x86`等常见的处理器架构。
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5. 社区活跃：`GEF`是一个开源项目，拥有庞大的用户群体和贡献者团队，开发进程活跃，问题能够及时得到解决。
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安装`GEF`非常简单，一句命令即可完成安装。
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```
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bash -c "$(curl -fsSL https://gef.blah.cat/sh)"
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```
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### 11.3.3 硬件断点测试
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环境准备就绪后，开发一个简单的应用作为被硬件断点的目标，声明两个全局变量，分别为`int`类型和`char`数组，然后分别对两个变量进行访问和写入。下面是样例代码。
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```c++
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int test1=1024;
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char test2[100];
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extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
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Java_cn_mik_nativedemo_MainActivity_stringFromJNI(
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JNIEnv* env,
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jobject /* this */) {
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std::string hello = "Hello from C++";
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memset(test2,0,100);
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strcpy(test2,"demo");
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ALOGD("test1",test1);
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ALOGD("test2",test2);
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return env->NewStringUTF(hello.c_str());
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}
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```
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安装该测试样例后，接着将`ndk`中的`gdbserver`传入手机中。命令如下。
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```
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adb push '~/Android/Sdk/ndk/23.1.7779620/prebuilt/android-arm64/gdbserver/gdbserver' /data/local/tmp/
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adb shell
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su
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cd /datalocal/tmp
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chmod +x ./gdbserver
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// 在手机上打开测试应用后，查看该应用的pid
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ps -e|grep nativedemo
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// 设置
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./gdbserver :1234 --attach 5991
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```
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接下来使用`gdb`连接上手机中的`gdbserver`，这里需要注意，使用的`gdb`和`gdbserver`的版本需要对应，否则就会导致连接错误的问题。下面是连接的相关操作。
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```
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// 将gdbserver监听的端口转发到本地
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adb forward tcp:1234 tcp:1234
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gdb
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// 连接监听的端口
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target remote :1234
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```
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