Android插件化原理解析——Hook机制之Binder Hook

Android系统通过Binder机制给应用程序提供了一系列的系统服务,诸如ActivityManagerServiceClipboardManagerAudioManager等;这些广泛存在系统服务给应用程序提供了诸如任务管理,音频,视频等异常强大的功能。

插件框架作为各个插件的管理者,为了使得插件能够无缝地使用这些系统服务,自然会对这些系统服务做出一定的改造(Hook),使得插件的开发和使用更加方便,从而大大降低插件的开发和维护成本。比如,Hook住ActivityManagerService可以让插件无缝地使用startActivity方法而不是使用特定的方式(比如that语法)来启动插件或者主程序的任意界面。

我们把这种Hook系统服务的机制称之为Binder Hook,因为本质上这些服务提供者都是存在于系统各个进程的Binder对象。因此,要理解接下来的内容必须了解Android的Binder机制,可以参考我之前的文章Binder学习指南

阅读本文之前,可以先clone一份 understand-plugin-framework,参考此项目的binder-hook 模块。另外,插件框架原理解析系列文章见索引

系统服务的获取过程

我们知道系统的各个远程service对象都是以Binder的形式存在的,而这些Binder有一个管理者,那就是ServiceManager;我们要Hook掉这些service,自然要从这个ServiceManager下手,不然星罗棋布的Binder广泛存在于系统的各个角落,要一个个找出来还真是大海捞针。

回想一下我们使用系统服务的时候是怎么干的,想必这个大家一定再熟悉不过了:通过Context对象的getSystemService方法;比如要使用ActivityManager

ActivityManager am = (ActivityManager) context.getSystemService(Context.ACTIVITY_SERVICE);

可是这个貌似跟ServiceManager没有什么关系啊?我们再查看getSystemService方法;(Context的实现在ContextImpl里面):

public Object getSystemService(String name) {
    ServiceFetcher fetcher = SYSTEM_SERVICE_MAP.get(name);
    return fetcher == null ? null : fetcher.getService(this);
}

很简单,所有的service对象都保存在一张map里面,我们再看这个map是怎么初始化的:

registerService(ACCOUNT_SERVICE, new ServiceFetcher() {
                public Object createService(ContextImpl ctx) {
                    IBinder b = ServiceManager.getService(ACCOUNT_SERVICE);
                    IAccountManager service = IAccountManager.Stub.asInterface(b);
                    return new AccountManager(ctx, service);
                }});

ContextImpl的静态初始化块里面,有的Service是像上面这样初始化的;可以看到,确实使用了ServiceManager;当然还有一些service并没有直接使用ServiceManager,而是做了一层包装并返回了这个包装对象,比如我们的ActivityManager,它返回的是ActivityManager这个包装对象:

registerService(ACTIVITY_SERVICE, new ServiceFetcher() {
                public Object createService(ContextImpl ctx) {
                    return new ActivityManager(ctx.getOuterContext(), ctx.mMainThread.getHandler());
                }});

但是在ActivityManager这个类内部,也使用了ServiceManager;具体来说,因为ActivityManager里面所有的核心操作都是使用ActivityManagerNative.getDefault()完成的。那么这个语句干了什么呢?

private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() {
        protected IActivityManager create() {
            IBinder b = ServiceManager.getService("activity");
            IActivityManager am = asInterface(b);
            return am;
        }
    };

因此,通过分析我们得知,系统Service的使用其实就分为两步:

IBinder b = ServiceManager.getService("service_name"); // 获取原始的IBinder对象
IXXInterface in = IXXInterface.Stub.asInterface(b); // 转换为Service接口

寻找Hook点

插件框架原理解析——Hook机制之动态代理里面我们说过,Hook分为三步,最关键的一步就是寻找Hook点。我们现在已经搞清楚了系统服务的使用过程,那么就需要找出在这个过程中,在哪个环节是最合适hook的。

由于系统服务的使用者都是对第二步获取到的IXXInterface进行操作,因此如果我们要hook掉某个系统服务,只需要把第二步的asInterface方法返回的对象修改为为我们Hook过的对象就可以了。

asInterface过程

接下来我们分析asInterface方法,然后想办法把这个方法的返回值修改为我们Hook过的系统服务对象。这里我们以系统剪切版服务为例,源码位置为android.content.IClipboard,IClipboard.Stub.asInterface方法代码如下:

public static android.content.IClipboard asInterface(android.os.IBinder obj) {
    if ((obj == null)) {
        return null; 
    }
    android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR); // Hook点
    if (((iin != null) && (iin instanceof android.content.IClipboard))) {
        return ((android.content.IClipboard) iin);
    }
    return new android.content.IClipboard.Stub.Proxy(obj);
}

这个方法的意思就是:先查看本进程是否存在这个Binder对象,如果有那么直接就是本进程调用了;如果不存在那么创建一个代理对象,让代理对象委托驱动完成跨进程调用。

观察这个方法,前面的那个if语句判空返回肯定动不了手脚;最后一句调用构造函数然后直接返回我们也是无从下手,要修改asInterface方法的返回值,我们唯一能做的就是从这一句下手:

android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR); // Hook点

我们可以尝试修改这个obj对象的queryLocalInterface方法的返回值,并保证这个返回值符合接下来的if条件检测,那么就达到了修改asInterface方法返回值的目的。

而这个obj对象刚好是我们第一步返回的IBinder对象,接下来我们尝试对这个IBinder对象的queryLocalInterface方法进行hook。

getService过程

上文分析得知,我们想要修改IBinder对象的queryLocalInterface方法;获取IBinder对象的过程如下:

IBinder b = ServiceManager.getService("service_name");

因此,我们希望能修改这个getService方法的返回值,让这个方法返回一个我们伪造过的IBinder对象;这样,我们可以在自己伪造的IBinder对象的queryLocalInterface方法作处理,进而使得asInterface方法返回在queryLocalInterface方法里面处理过的值,最终实现hook系统服务的目的。

在跟踪这个getService方法之前我们思考一下,由于系统服务是一系列的远程Service,它们的本体,也就是Binder本地对象一般都存在于某个单独的进程,在这个进程之外的其他进程存在的都是这些Binder本地对象的代理。因此在我们的进程里面,存在的也只是这个Binder代理对象,我们也只能对这些Binder代理对象下手。(如果这一段看不懂,建议不要往下看了,先看Binder学习指南)

然后,这个getService是一个静态方法,如果此方法什么都不做,拿到Binder代理对象之后直接返回;那么我们就无能为力了:我们没有办法拦截一个静态方法,也没有办法获取到这个静态方法里面的局部变量(即我们希望修改的那个Binder代理对象)。

接下来就可以看这个getService的代码了:

public static IBinder getService(String name) {
    try {
        IBinder service = sCache.get(name);
        if (service != null) {
            return service;
        } else {
            return getIServiceManager().getService(name);
        }
    } catch (RemoteException e) {
        Log.e(TAG, "error in getService", e);
    }
    return null;
}

天无绝人之路!ServiceManager为了避免每次都进行跨进程通信,把这些Binder代理对象缓存在一张map里面。

我们可以替换这个map里面的内容为Hook过的IBinder对象,由于系统在getService的时候每次都会优先查找缓存,因此返回给使用者的都是被我们修改过的对象,从而达到瞒天过海的目的。

总结一下,要达到修改系统服务的目的,我们需要如下两步:

  1. 首先肯定需要伪造一个系统服务对象,接下来就要想办法让asInterface能够返回我们的这个伪造对象而不是原始的系统服务对象。
  2. 通过上文分析我们知道,只要让getService返回IBinder对象的queryLocalInterface方法直接返回我们伪造过的系统服务对象就能达到目的。所以,我们需要伪造一个IBinder对象,主要是修改它的queryLocalInterface方法,让它返回我们伪造的系统服务对象;然后把这个伪造对象放置在ServiceManager的缓存map里面即可。

我们通过Binder机制的优先查找本地Binder对象的这个特性达到了Hook掉系统服务对象的目的。因此queryLocalInterface也失去了它原本的意义(只查找本地Binder对象,没有本地对象返回null),这个方法只是一个傀儡,是我们实现hook系统对象的桥梁:我们通过这个“漏洞”让asInterface永远都返回我们伪造过的对象。由于我们接管了asInterface这个方法的全部,我们伪造过的这个系统服务对象不能是只拥有本地Binder对象(原始queryLocalInterface方法返回的对象)的能力,还要有Binder代理对象操纵驱动的能力。

接下来我们就以Hook系统的剪切版服务为例,用实际代码来说明,如何Hook掉系统服务。

Hook系统剪切版服务

伪造剪切版服务对象

首先我们用代理的方式伪造一个剪切版服务对象,关于如何使用代理的方式进行hook以及其中的原理,可以查看插件框架原理解析——Hook机制之动态代理

具体代码如下,我们用动态代理的方式Hook掉了hasPrimaryClip()getPrimaryClip()这两个方法:

public class BinderHookHandler implements InvocationHandler {

    private static final String TAG = "BinderHookHandler";

    // 原始的Service对象 (IInterface)
    Object base;

    public BinderHookHandler(IBinder base, Class<?> stubClass) {
        try {
            Method asInterfaceMethod = stubClass.getDeclaredMethod("asInterface", IBinder.class);
            // IClipboard.Stub.asInterface(base);
            this.base = asInterfaceMethod.invoke(null, base);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("hooked failed!");
        }
    }

    @TargetApi(Build.VERSION_CODES.HONEYCOMB)
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {

        // 把剪切版的内容替换为 "you are hooked"
        if ("getPrimaryClip".equals(method.getName())) {
            Log.d(TAG, "hook getPrimaryClip");
            return ClipData.newPlainText(null, "you are hooked");
        }

        // 欺骗系统,使之认为剪切版上一直有内容
        if ("hasPrimaryClip".equals(method.getName())) {
            return true;
        }

        return method.invoke(base, args);
    }
}

注意,我们拿到原始的IBinder对象之后,如果我们希望使用被Hook之前的系统服务,并不能直接使用这个IBinder对象,而是需要使用asInterface方法将它转换为IClipboard接口;因为getService方法返回的IBinder实际上是一个裸Binder代理对象,它只有与驱动打交道的能力,但是它并不能独立工作,需要人指挥它;asInterface方法返回的IClipboard.Stub.Proxy类的对象通过操纵这个裸BinderProxy对象从而实现了具体的IClipboard接口定义的操作。

伪造IBinder 对象

在上一步中,我们已经伪造好了系统服务对象,现在要做的就是想办法让asInterface方法返回我们伪造的对象了;我们伪造一个IBinder对象:

public class BinderProxyHookHandler implements InvocationHandler {

    private static final String TAG = "BinderProxyHookHandler";

    // 绝大部分情况下,这是一个BinderProxy对象
    // 只有当Service和我们在同一个进程的时候才是Binder本地对象
    // 这个基本不可能
    IBinder base;

    Class<?> stub;

    Class<?> iinterface;

    public BinderProxyHookHandler(IBinder base) {
        this.base = base;
        try {
            this.stub = Class.forName("android.content.IClipboard$Stub");
            this.iinterface = Class.forName("android.content.IClipboard");
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {

        if ("queryLocalInterface".equals(method.getName())) {

            Log.d(TAG, "hook queryLocalInterface");

            // 这里直接返回真正被Hook掉的Service接口
            // 这里的 queryLocalInterface 就不是原本的意思了
            // 我们肯定不会真的返回一个本地接口, 因为我们接管了 asInterface方法的作用
            // 因此必须是一个完整的 asInterface 过的 IInterface对象, 既要处理本地对象,也要处理代理对象
            // 这只是一个Hook点而已, 它原始的含义已经被我们重定义了; 因为我们会永远确保这个方法不返回null
            // 让 IClipboard.Stub.asInterface 永远走到if语句的else分支里面
            return Proxy.newProxyInstance(proxy.getClass().getClassLoader(),

                    // asInterface 的时候会检测是否是特定类型的接口然后进行强制转换
                    // 因此这里的动态代理生成的类型信息的类型必须是正确的
                    new Class[] { IBinder.class, IInterface.class, this.iinterface },
                    new BinderHookHandler(base, stub));
        }

        Log.d(TAG, "method:" + method.getName());
        return method.invoke(base, args);
    }
}

我们使用动态代理的方式伪造了一个跟原始IBinder一模一样的对象,然后在这个伪造的IBinder对象的queryLocalInterface方法里面返回了我们第一步创建的伪造过的系统服务对象;注意看注释,详细解释可以看代码

替换ServiceManager的IBinder对象

现在就是万事具备,只欠东风了;我们使用反射的方式修改ServiceManager类里面缓存的Binder对象,使得getService方法返回我们伪造的IBinder对象,进而asInterface方法使用伪造IBinder对象的queryLocalInterface方法返回了我们伪造的系统服务对象。代码较简单,如下:

final String CLIPBOARD_SERVICE = "clipboard";

// 下面这一段的意思实际就是: ServiceManager.getService("clipboard");
// 只不过 ServiceManager这个类是@hide的
Class<?> serviceManager = Class.forName("android.os.ServiceManager");
Method getService = serviceManager.getDeclaredMethod("getService", String.class);
// ServiceManager里面管理的原始的Clipboard Binder对象
// 一般来说这是一个Binder代理对象
IBinder rawBinder = (IBinder) getService.invoke(null, CLIPBOARD_SERVICE);

// Hook 掉这个Binder代理对象的 queryLocalInterface 方法
// 然后在 queryLocalInterface 返回一个IInterface对象, hook掉我们感兴趣的方法即可.
IBinder hookedBinder = (IBinder) Proxy.newProxyInstance(serviceManager.getClassLoader(),
        new Class<?>[] { IBinder.class },
        new BinderProxyHookHandler(rawBinder));

// 把这个hook过的Binder代理对象放进ServiceManager的cache里面
// 以后查询的时候 会优先查询缓存里面的Binder, 这样就会使用被我们修改过的Binder了
Field cacheField = serviceManager.getDeclaredField("sCache");
cacheField.setAccessible(true);
Map<String, IBinder> cache = (Map) cacheField.get(null);
cache.put(CLIPBOARD_SERVICE, hookedBinder);

接下来,在app里面使用剪切版,比如长按进行粘贴之后,剪切版的内容永远都是you are hooked了;这样,我们Hook系统服务的目的宣告完成!详细的代码参见 github

也许你会问,插件框架会这么hook吗?如果不是那么插件框架hook这些干什么?插件框架当然不会做替换文本这么无聊的事情,DroidPlugin插件框架管理插件使得插件就像是主程序一样,因此插件需要使用主程序的剪切版,插件之间也会共用剪切版;其他的一些系统服务也类似,这样就可以达到插件和宿主程序之间的天衣服缝,水乳交融!另外,ActivityManager以及PackageManager这两个系统服务虽然也可以通过这种方式hook,但是由于它们的重要性和特殊性,DroidPlugin使用了另外一种方式,我们会单独讲解。

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