Android Inline Hook

最近终于沉下心来对着书把hook跟注入方面的代码敲了一遍，打算写几个博客把它们记录下来。

第一次介绍一下我感觉难度最大的inline hook，实现代码参考了腾讯GAD的游戏安全入门。

inline hook的大致流程如下：

首先将目标指令替换为跳转指令，跳转地址为一段我们自己编写的汇编代码，这段汇编代码先是执行用户指定的代码，如修改寄存器的值，然后执行被替换掉的原指令2，最后再跳转回原指令3处，恢复程序的正常运行。

为了避开注入过程，我们通过hook自己进程加载的动态连接库进行演示。

1、实现目标注入程序

我们将这个程序编译为动态连接库，然后在主程序中加载，作为hook的目标。

target.h
#ifndef TARGET_H_INCLUDED
#define TARGET_H_INCLUDED

void target_foo();

#endif // TARGET_H_INCLUDED

target.c
#include "target.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

void target_foo()
{
    int a = 3;
    int b = 2;
    while(a--) {
        sleep(2);
        b = a * b;
        printf("[INFO] b is %d
", b);
    }
    b = b + 2;
    b = b - 1;
    printf("[INFO] finally, b is %d
", b);
}

Android.mk
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_ARM_MODE := arm
LOCAL_MODULE := target
LOCAL_CFLAGS +=  -pie -fPIE -std=c11
LOCAL_LDFLAGS += -pie -fPIE -shared -llog
APP_ABI := armeabi-v7a
LOCAL_SRC_FILES := target.c
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

注意Android.mk中LOCAL_ARM_MODE := arm代表编译时使用4字节的arm指令集，而不是2字节的thumb指令集。

2、实现主程序

在主程序中我们首先加载之前编写的动态链接库，进行hook之后再对其中的函数target_foo进行调用。

main.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dlfcn.h>
#include <unistd.h>
#include <stdbool.h>
#include "hook_inline.h"

typedef void (*target_foo)(void);

void my_func(struct hook_reg *reg)
{
    puts("here we go!");
}
void main()
{
    void *handler = dlopen("/data/local/tmp/libtarget.so", RTLD_NOW);
    target_foo foo = (target_foo)dlsym(handler, "target_foo");
    hook_inline_make("/data/local/tmp/libtarget.so", 0xde2, my_func, true);
    foo();
}

hook_inline.h
#ifndef HOOK_INLINE_H_INCLUDED
#define HOOK_INLINE_H_INCLUDED
#include <stdbool.h>
struct hook_reg {
    long ARM_r0; long ARM_r1; long ARM_r2; long ARM_r3;
    long ARM_r4; long ARM_r5; long ARM_r6; long ARM_r7;
    long ARM_r8; long ARM_r9; long ARM_r10;long ARM_r11;
    long ARM_r12;long ARM_sp; long ARM_lr; long ARM_cpsr;
};
typedef void (*hook_func)(struct hook_reg *reg);
bool hook_inline_make(const char *library, long address, hook_func func, bool isArm);
#endif // HOOK_INLINE_H_INCLUDED

这里我们hook功能的实现函数为hook_inline_make，4个参数分别为动态库路径，目标地址，用户函数，目标地址处指令集。

当程序执行到目标地址处时会回调我们传入的用户函数，可通过参数hook_reg来更改寄存器的值（不包括寄存器pc）。因为之前在动态链接库的Android.mk文件指定了使用arm指令集进行编译，所以此处指定最后一个参数为true。

3、实现注入函数

现在到了最为关键的地方，为了实现这个功能还需要了解几个知识。

（1）、获取内存中动态链接库的基址

Linux系统中各个进程的内存加载信息可以在/proc/pid/maps文件中到，通过它我们可以获取到动态链接库在内存中的加载基址。

long get_module_addr(pid_t pid, const char *module_name)
{
    char file_path[256];
    char file_line[512];
    if (pid < 0) {
        snprintf(file_path, sizeof(file_path), "/proc/self/maps");
    } else {
        snprintf(file_path, sizeof(file_path), "/proc/%d/maps", pid);
    }
    FILE *fp = fopen(file_path, "r");
    if (fp == NULL) {
        return -1;
    }
    long addr_start = -1, addr_end = 0;
    while (fgets(file_line, sizeof(file_line), fp)) {
        if (strstr(file_line, module_name)) {
            if (2 == sscanf(file_line, "%8lx-%8lx", &addr_start, &addr_end)) {
                break;
            }
        }
    }
    fclose(fp);
    printf("library :%s %lx-%lx, pid : %d
", module_name, addr_start, addr_end, pid);
    return addr_start;
}

（2）、更改内存中的二进制代码

现在的计算机系统中一般对内存进行分段式管理，不同的段有不同的读、写、执行的属性。一般来讲代码段只有读和执行的属性，不允许对代码段进行写操作。Linux系统中通过函数mprotect对内存的属性进行更改，需要注意的一点是需要以内存页的大小进行对齐。

bool change_addr_writable(long address, bool writable) {
    long page_size = sysconf(_SC_PAGESIZE);
    //align address by page size
    long page_start = (address) & (~(page_size - 1));
    //change memory attribute
    if (writable == true) {
        return mprotect((void*)page_start, page_size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC) != -1;
    } else {
        return mprotect((void*)page_start, page_size, PROT_READ | PROT_EXEC) != -1;
    }
}

接下来就可以着手实现功能了，inline hook跟指令集密切相关，此处我们先演示arm指令集的情况，之后对thumb指令集进行讨论。这里实现的功能是用户可在自己注册的回调函数中对hook点寄存器的值进行修改。

 

为了实现32位地址空间的长跳转，我们需要两条指令的长度（8个字节）来实现。一般手机上的arm处理器为3级流水，所以pc寄存器的值总是指向当前执行指令后的第二条指令，因而使用ldr pc, [pc, #-4]来加载该指令之后的跳转地址。当程序跳转到shellcode后，首先对寄存器组进行备份，然后调用用户注册的回调函数，用户可在回调函数中修改备份中各个寄存器（pc寄存器除外）的值，然后从备份中恢复寄存器组再跳转到stubcode，stubcode的功能是执行被hook点的跳转指令替换掉的两条指令，最后跳回原程序。

shellcode.S
 1 .global _shellcode_start_s
.global _shellcode_end_s
.global _hook_func_addr_s
.global _stub_func_addr_s
.data
_shellcode_start_s:
    @ 备份各个寄存器
    push  {r0, r1, r2, r3}
    mrs   r0, cpsr
    str   r0, [sp, #0xc]
    str   r14, [sp, #0x8]
    add   r14, sp, #0x10
    str   r14, [sp, #0x4]
    pop   {r0}
    push  {r0-r12}
    @ 此时寄存器被备份在栈中，将栈顶地址作为回调函数的参数（struct hook_reg）
    mov   r0, sp
    ldr   r3, _hook_func_addr_s
    blx   r3
    @ 恢复寄存器值
    ldr   r0, [sp, #0x3c]
    msr   cpsr, r0
    ldmfd sp!, {r0-r12}
    ldr   r14, [sp, #0x4]
    ldr   sp, [r13]
    ldr   pc, _stub_func_addr_s
_hook_func_addr_s:
.word 0x0
_stub_func_addr_s:
.word 0x0
_shellcode_end_s:
.end

shellcode使用汇编实现，在使用时需要对里边的两个地址进行修复，用户回调函数地址（_hook_func_addr_s）跟stubcode地址（_stub_func_addr_s）。

接下来我们可以看一下函数hook_inline_make的具体实现了

void hook_inline_make(const char *library, long address, hook_func func)
{
    //获取hook点在内存中的地址
    long base_addr = get_module_addr(-1, library);
    long hook_addr = base_addr + address;
    //获取shellcode中的符号地址
    extern long _shellcode_start_s;
    extern long _shellcode_end_s;
    extern long _hook_func_addr_s;
    extern long _stub_func_addr_s;
    void *p_shellcode_start = &_shellcode_start_s;
    void *p_shellcdoe_end = &_shellcode_end_s;
    void *p_hook_func = &_hook_func_addr_s;
    void *p_stub_func = &_stub_func_addr_s;
    //计算shellcode大小
    int shellcode_size = (int)(p_shellcdoe_end - p_shellcode_start);
    //新建shellcode
    void *shellcode = malloc(shellcode_size);
    memcpy(shellcode, p_shellcode_start, shellcode_size);
    //添加执行属性
    change_addr_writable((long)shellcode, true);
    //在32bit的arm指令集中，stubcode中的4条指令占用16个字节的空间
    //前两条指令为hook点被替换的两条指令
    //后两条指令跳转回原程序
    void *stubcode = malloc(16);
    memcpy(stubcode, (void*)hook_addr, 8);
    //ldr pc, [pc, #-4]
    //[address]
    //手动填充stubcode
    char jump_ins[8] = {0x04, 0xF0, 0x1F, 0xE5};
    uint32_t jmp_address = hook_addr + 8;
    memcpy(jump_ins + 4, &jmp_address, 4);
    memcpy(stubcode + 8, jump_ins, 8);
    //添加执行属性
    change_addr_writable((long)stubcode, true);
    //修复shellcode中的两个地址值
    uint32_t *shell_hook = shellcode + (p_hook_func - p_shellcode_start);
    *shell_hook = (uint32_t)func;
    uint32_t *shell_stub = shellcode + (p_stub_func - p_shellcode_start);
    *shell_stub = (uint32_t)stubcode;
    //为hook点添加写属性
    change_addr_writable(hook_addr, true);
    //替换hook点指令为跳转指令，跳转至shellcode
    jmp_address = (uint32_t)shellcode;
    memcpy(jump_ins + 4, &jmp_address, 4);
    memcpy((void*)hook_addr, jump_ins, 8);
    change_addr_writable(hook_addr, false);
    //刷新cache
    cacheflush(hook_addr, 8, 0);
}

注意这里的change_addr_writable函数无论传入false还是true对应地址都会添加上执行属性。由于处理器采用流水线跟多级缓存，在更改代码后我们需要手动刷新cache，即函数cacheflush(第三个参数无意义)。

4、thumb指令集实现

由于thumb指令集的功能受到限制，虽然思路上跟arm指令集一致，但在实现上需要用更多条指令，下面是我自己想的一种实现方式，欢迎交流。

需要注意的是由于每条thumb指令为16bit，所以32位的跳转地址需要占用两条指令的空间，而且跳转时会污染r0寄存器所以要对其进行保护。我在实现程序时将shellcode编译为了arm指令集，所以在原程序、shellcode、stubcode之间相互跳转时需要使用bx指令进行处理器状态切换（需要跳转的地址代码为thumb指令集时，需要将地址的第1个bit位置位）。