Android inline hook手记[转载]

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作者:NetRoc

Android inline hook手记

说到Inline hook，了解这个词的同志们都应该知道，无非是修改目标函数处的指令，跳转到自己的函数，并且提供调用原函数的stub，即可完成整个流程。但是在ARM下面情况和我们熟悉的x86有所不同。ARM芯片的运行状态分为arm和thumb两种模式，分别有不同的指令集，arm指令为定长32位，thumb指令为定长16位(thumb-2中进行了扩展，可以使用32位thumb指令)。同一段代码中可以混用两套指令集，通过一些带有interworking功能的跳转或者load指令可以在两种模式间切换。做ARM下的inline，首先遇到的就是指令模式的问题。另外，ARM架构下，CPU也具有分开的指令缓存和数据缓存，类似x86下的DTLB和ITLB。但是在实现过程中发现，arm的缓存作用非常明显，而且刷新机制不太确定，因此自修改代码需要经常主动控制缓存的刷新。这一点，可以通过NDK的API cacheflush实现。

下面简单说说一些主要问题：

• 关于页保护

  这一点对于熟悉Linux编程的同志们应该不是问题，mprotect修改为PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC即可。页面大小可以通过包含ndk下面<asm/page.h>文件，里面定义的一系列宏用于获得页面大小和进行对齐运算。

• 关于模式转换和跳转

  Arm下主要的分支指令如BX,BLX等，都可以切换指令模式。详见arm的用户手册。这里主要讨论模式的选择和切换时机。只有一个问题需要注意，arm处理器执行时，由于流水线的关系，会预取两条指令，因此当前指令取到的pc值，始终是之后第三条指令的地址。比如当前指令地址是0x8000，那么当前pc的值，在thumb下面是0x8000 + 2 * 2， 在arm下面是0x8000 + 4 * 2。

  由于运行时我没有找到简便的办法能够确切知道被hook的目标函数指令集，所以这个问题留给了hook的使用者来决定。Hook之前应通过逆向工具获知所有目标函数是arm还是thumb指令。

  如果要根据目标函数指令集的不同而对hook函数采用不同的 编译选项，显然是一件麻烦的事情。而arm模式的指令由于单条指令包含的语义更多，是我们的首选。因此可以考虑主仅使用arm指令编译hook函数，而在跳转的同时切换到arm模式。

  关于跳转插入的指令方面，由于arm指令带立即数的跳转范围只有4M，thumb的跳转范围只有256字节。所以首选ldr pc,xxxx指令来实现。对于arm指令的目标，这个指令很容易选择。如下：

  ldr pc, [pc,#-4]

  32位跳转绝对地址

  指令为单个32位数字：0xE51FF004。

  但是thumb模式下的16位ldr指令没有办法向pc中load，选择就很成问题。如果单纯使用16位thumb指令的话，跳转部分需要占用大量字节数，而因为arm下面编译器常常使用pc的值作为基址来计算地址，被搬动过的指令中就极有可能存在这种指令。搬动过后的代码中就必须对这部分指令进行修正，而又由于thumb所能够支持的立即数很小，跳转范围也很小，这种修正往往非常麻烦，需要用几条同等指令来替换一条指令。经过考虑，还是决定放弃对ARMv5的支持，直接使用ARMv6T2之后支持的thumb-2指令集。thumb-2支持32位thumb指令，也支持ldr以pc为目标寄存器：

  ldr.w pc,[pc,#0]

  32位跳转绝对地址

  指令为单个32位数字：0x00F0DFF8

  所有需要跳转的地址，需要注意的是bit0的处理。如果bit0为1，跳转后会切换到thumb指令模式，如果bit0为0，会切换至arm模式。当目标为arm的时候，我们不需要特殊处理，编译器会处理地址的计算。但是当目标为thumb的时候，从hook指令跳转到hook函数，以及调用原始函数的时候，都需要注意地址bit0的处理。

• 关于搬出来的原始指令

  按照win32下Detours库的实现方式，被HOOK函数的前面几条指令，会搬到一个trampoline中，并在这些指令后添加跳转至原代码后续部分的指令。在搬动过程中，需要对被移动的指令进行地址修正。在处理ARM平台inline的过程中也需要作这样的工作。但是实际上在处理的时候会发现，要做到这一点是非常困难的。ARM下常常会生成下面这种将pc作为地址参照的指令块

  

  而由于arm平台寻址范围较小，编译器通常选择将数据和指令在内存中的存放混杂在一起。thumb模式下，由于指令中能包含的立即数非常小，这种问题会表现得异常突出，修正的时候也常常一条指令被拉长为数条。因此代码修正会有非常大的工作量。这部分问题由于太消耗时间，我也仅仅是对arm下的inline进行研究性实现，也就没有管这个问题了。实际项目如果要用到hook，这个部分花费的时间应该比单纯hook跳转的实现要大得多。在不考虑并发和效率的情况下，当hook函数中要调用原函数时，可以考虑临时恢复hook，并在调用完成后再次hook来解决。但是始终是相当不优雅的实现。

• 关于线程处理

  修改hook目标的指令时，和x86平台下一样，也需要注意有可能某些线程刚好执行到被修改的指令中的问题。Win32下可以枚举线程并修改context到被搬迁的指令中去。但是Linux内核系统下很难进行线程的控制。估计可以采用接管信号处理，并向进程内所有线程调用pthread_kill来实现。