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Frida Internal - Part 3: Java Bridge 与 ART hook

前面的文章中介绍了 frida 的基础组件 frida-core,用于实现进程注入、通信和管理等功能。加上 frida-gum 和 gum-js 的核心能力,我们已经可以很方便地使用 JavaScript 脚本来进行代码劫持、动态跟踪等进程分析操作。

不过 frida 并不满足于此,而是又实现了针对高级语言的支持,比如 JavaObjective-CSwift 等。这些额外支持实际上是在 gum-js 的基础上针对对应高级语言的 Runtime 进行 hack 而实现的,统一称为对应语言的 bridge。例如,针对 Java 语言的封装称为 frida-java-bridge,不仅实现了 Oracle JVM 的封装、还支持 Android 中的 Dalvik 虚拟机和 ART 虚拟机。本文就以 ART 为例来看看 frida 中的具体实现。

传送门:

Java Bridge

frida-java-bridge 就是我们在编写 frida js 脚本时使用的 Java.use 等接口实现。Java 接口是 Android Runtime 的封装,实现在 index.jsclass Runtime 中。比如 Java.perform 就对应了 Runtime.perform 函数。 在 Runtime 的构造函数中分别初始化了 api、vm 和 classFactory 属性等属性:

_tryInitialize () {
    // ...
    this.api = getApi();
    this.vm = new VM(api);

    ClassFactory._initialize(vm, api);
    this.classFactory = new ClassFactory();
}

下面分别对其进行介绍。

Native API

API 是从对应 Java 虚拟机的动态库中所抽象出来的一套统一接口,用以实现对运行时、垃圾回收、堆栈管理等底层操作,是实现上层方法劫持和替换的基础设施。

lib/api.js 中指定了 API 的类型,如下所示:

let { getApi, getAndroidVersion } = require('./android');
try {
  getAndroidVersion();
} catch (e) {
  getApi = require('./jvm').getApi;
}
module.exports = getApi;

通过尝试调用 libc 的 __system_property_get 函数获取属性,如果成功表示当前进程为 Android 环境,即 Java 实现为 Dalvik 或者 ART 虚拟机;如果失败则认为是 Oracle 的 JVM 虚拟机实现。java-bridge 的实现是基于 inline-hook (gum-js) 对目标 Java 虚拟机中的符号进行解析、调用、替换从而实现 Java Hook 的功能,其支持的三种虚拟机及其对应动态库分别是:

  • Dalvik: libdvm.so
  • ART: libart.so
  • JVM: jvm.(dll|dylib|so)

由于三种实现大同小异,因此我们只需要关注其中一种。因为笔者对于 Android 较为感兴趣,故而重点关注 ART 下的实现。在 lib/android.js_getApi 同时处理了 Dalvik 和 ART 虚拟机的情况,区分这二者的方法是判断当前进程中加载的模块是 libdvm.so 还是 libart.so。

查找符号

在两种情况下都需要先获取对应动态库中的一些符号地址,对于 ART 而言,主要需要下面函数:

  • JNI_GetCreatedJavaVMs
  • art::JavaVMExt::AddGlobalRef
  • art::IndirectReferenceTable::Add
  • art::JavaVMExt::DecodeGlobal
  • art::ThreadList::SuspendAll
  • art::ThreadList::ResumeAll
  • art::ClassLinker::VisitClasses
  • art::ClassLinker::VisitClassLoaders
  • art::gc::Heap::VisitObjects
  • art::gc::Heap::GetInstances
  • art::StackVisitor::StackVisitor
  • art::StackVisitor::WalkStack
  • art::StackVisitor::GetMethod
  • art::StackVisitor::DescribeLocation
  • art::StackVisitor::GetCurrentQuickFrameInfo
  • art::Thread::GetLongJumpContext
  • art::mirror::Class::GetDescriptor
  • art::ArtMethod::PrettyMethod
  • art::ArtMethod::PrettyMethodNullSafe
  • art::Thread::CurrentFromGdb
  • art::mirror::Object::Clone
  • art::Dbg::SetJdwpAllowed
  • art::Dbg::ConfigureJdwp
  • art::InternalDebuggerControlCallback::StartDebugger
  • art::Dbg::StartJdwp
  • art::Dbg::GoActive
  • art::Dbg::RequestDeoptimization
  • art::Dbg::ManageDeoptimization
  • art::Instrumentation::EnableDeoptimization
  • art::Instrumentation::DeoptimizeEverything
  • art::Runtime::DeoptimizeBootImage
  • art::Instrumentation::Deoptimize
  • art::jni::JniIdManager::DecodeMethodId
  • art::interpreter::GetNterpEntryPoint
  • art::Monitor::TranslateLocation

以及两个用于判断调试器状态的变量:

  • art::Dbg::gRegistry - 判断 JDWP 是否启动
  • art::Dbg::gDebuggerActive - 判断是否正在调试

值得一提的是,这两个变量也可以用在安全 SDK 中作为一种隐秘的反调试手法。

上面的函数通过在模块中的符号中查找到对应地址后 (如 Module.enumerateExports("libart.so")),便将其转换为 NativeFunction 类然后保存到 temporaryApi 字典中留作备用。

查找偏移

在找到上述的函数和变量地址后,就可以通过这些 Native 函数获取需要的信息,首先第一步是获取当前进程中所有创建的 Java 虚拟机。这里使用的是 JavaScript 代码去调用,乍看起来有点别扭,但这是做 Native 调用的常规操作:

const vms = Memory.alloc(pointerSize);
const vmCount = Memory.alloc(jsizeSize);
temporaryApi.JNI_GetCreatedJavaVMs(vms, 1, vmCount);
if (vmCount.readInt() === 0)
  return null;
temporaryApi.vm = vms.readPointer();

该函数原型为:

jint JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM **vmBuf, jsize bufLen, jsize *nVMs);

虽然参数说可以返回多个 VM,但在单个进程中是不支持创建多个 Java 虚拟机的,因此这里也只用获取一个 VM 即可。获取到的 Java 虚拟机,(即 JavaVM * 地址) 保存在 temporaryApi.vm 变量中,这是我们一系列后续操作的基础。

通过获得的 JavaVM 指针,我们可以获取一系列重要数据结构的地址,比如:

  • art::Runtime
  • art::Instrumentation
  • art::Heap
  • art::ThreadList
  • art::ClassLinker
  • 各个 trampoline 的地址

其中的一些是通过结构体的固定偏移来获得,比如 art::Runtime 就在 JavaVM 结构的第二个位置:

struct _JavaVM {
    const struct JNIInvokeInterface* functions;
}

class JavaVMExt : public JavaVM {
public:
// 一些函数 ...
Runtime* const runtime_;
}

用 gdb 也可以进行验证:

(gdb) ptype /o JavaVM
type = struct _JavaVM {
/*    0      |     8 */    const struct JNIInvokeInterface *functions;

                           /* total size (bytes):    8 */
                         }

(gdb) ptype /o art::JavaVMExt
/* offset    |  size */  type = class art::JavaVMExt : public JavaVM {
                         private:
/*    8      |     8 */    class art::Runtime * const runtime_;
...

但是对于一些复杂的数据结构就没有那么简单了,比如在 art::Runtime 结构体中查找 heap、threadList、classLinker 等属性的时候,就需要先搜索到特定的属性位置,然后通过不同版本的相对偏移去定位其他属性:

class Runtime {
// ...
gc::Heap* heap_;                // <-- we need to find this
std::unique_ptr<ArenaPool> jit_arena_pool_;    //  <----- API level >= 24
std::unique_ptr<ArenaPool> arena_pool_;        //      __
std::unique_ptr<ArenaPool> low_4gb_arena_pool_;//  <--|__ API level >= 23
std::unique_ptr<LinearAlloc> linear_alloc_;    //      \_
size_t max_spins_before_thin_lock_inflation_;
MonitorList* monitor_list_;
MonitorPool* monitor_pool_;
ThreadList* thread_list_;        // <--- and these
InternTable* intern_table_;      // <--/
ClassLinker* class_linker_;      // <-/
SignalCatcher* signal_catcher_;
std::unique_ptr<jni::JniIdManager> jni_id_manager_; // <- API level >= 30 or Android R Developer Preview
bool use_tombstoned_traces_;     // <-------------------- API level 27/28
std::string stack_trace_file_;   // <-------------------- API level <= 28
JavaVMExt* java_vm_;             // <-- so we find this then calculate our way backwards
// ...
}

由于 JavaVM 的地址我们已知, 故而可以在 Runtime 的起始地址处开始一直往前搜索,发现匹配后就可以确定 java_vm_ 属性的位置,进而可以根据相对偏移往前找到 InternTableClassLinkerThreadListgc::Heap 等属性地址。之所以这样查找是因为 art::Runtime 这个数据结构相当复杂,总大小有 2000 字节以上,搜索 java_vm_ 的时候也做了一些优化,从第 50 个指针大小位置处开始搜索,以加快搜索速度。

上面这些偏移都还算好找,但是在寻找 Instrumentation 偏移的时候就需要一些额外的技巧,当前 frida 使用的方法是先找到 libart.soMterpHandleException 函数地址,由于该函数中会使用到 Runtime->instrumentation 的数据,因此逐条解析汇编指令即可定位到对应偏移。

该函数定义在 mterp.cc 中,代码如下:

extern "C" size_t MterpHandleException(Thread* self, ShadowFrame* shadow_frame)
    REQUIRES_SHARED(Locks::mutator_lock_) {
  DCHECK(self->IsExceptionPending());
  const instrumentation::Instrumentation* const instrumentation =
      Runtime::Current()->GetInstrumentation();
  return MoveToExceptionHandler(self, *shadow_frame, instrumentation);
}

虽然道理很简单,但实际操作时候需要区分不同架构的指令解析方法,frida 中支持以下几种架构:

const instrumentationOffsetParsers = {
  ia32: parsex86InstrumentationOffset,
  x64: parsex86InstrumentationOffset,
  arm: parseArmInstrumentationOffset,
  arm64: parseArm64InstrumentationOffset
};

arm64 为例,观察该函数,可以通过寻找 add 指令来定位偏移,因为 GetInstrumentation 等函数实际上都被 inline 优化成了直接指令,如下所示,实际偏移即为 0x2b8:

(gdb) disassemble MterpHandleException
Dump of assembler code for function MterpHandleException(art::Thread*, art::ShadowFrame*):
   0x00000000007551ac <+0>:     stp     x29, x30, [sp, #-16]!
   0x00000000007551b0 <+4>:     mov     x29, sp
   0x00000000007551b4 <+8>:     adrp    x8, 0xa17000 <_ZN3art2gc9allocator8RosAlloc27dedicated_full_run_storage_E+3464>
   0x00000000007551b8 <+12>:    ldr     x8, [x8, #3280]
   0x00000000007551bc <+16>:    add     x2, x8, #0x2b8 // <-- 这里即为所求偏移!
   0x00000000007551c0 <+20>:    bl      0x3e1170 <art::interpreter::MoveToExceptionHandler(art::Thread*, art::ShadowFrame&, art::instrumentation::Instrumentation const*)>
   0x00000000007551c4 <+24>:    and     x0, x0, #0x1
   0x00000000007551c8 <+28>:    ldp     x29, x30, [sp], #16
   0x00000000007551cc <+32>:    ret
End of assembler dump.

frida 的代码实现为:

function parseArm64InstrumentationOffset (insn) {
  if (insn.mnemonic !== 'add') {
    return null;
  }

  const ops = insn.operands;
  if (ops.length !== 3) {
    return null;
  }

  const op2 = ops[2];
  if (op2.type !== 'imm') {
    return null;
  }

  return op2.value;
}

其中 insnInstruction 类型,是 frida 中用以解析汇编指令的关键类,这里不再赘述。另外一个属性 jni_ids_indirection_ 的查找也是类似套路,有点类似漏洞利用过程中寻找 gadget 的过程。

Trampoline

根据上面获取到的各个重要字段在 art::Runtime 中的偏移后,就可以计算出这些属性在目标内存中的实际地址了。另外一个重要的数据结构是 art::ClassLinker,其中包含了 ART hook 所需要的几个重要的共享跳板代码地址,即 trampoline,如下所示:

class ClassLinker {
...
InternTable* intern_table_;                        // <-- We find this then calculate our way forwards
const void* quick_resolution_trampoline_;
const void* quick_imt_conflict_trampoline_;
const void* quick_generic_jni_trampoline_;         // <-- ...to this
const void* quick_to_interpreter_bridge_trampoline_;
...
}

intern_table_ 的地址我们已经在 art::Runtime 中获得了,因此可以用前面类似的搜索方法依次找出这几个 trampoline 的地址。需要注意的是在 Android 5.x 和 6.x 之后 ClassLinker 的数据结构有所不同,frida 针对这两种情况都分别进行了处理。

quick trampoline 一般是指被编译成 native 代码后的字节码在运行过程中所使用到的跳转地址表,比如 quick_resolution_trampoline_ 所指向的 stub 作用就是给(native 代码)第一次调用某个方法时候解析指定方法,同理 generic_jni_trampoline 就是用来跳转到 JNI 方法(代码) 的 stub,quick_to_interpreter_bridge_trampoline_ 则是用来从 native 代码跳转到解释器执行的 stub。

其他

在获取完各个地址后,android.js 中初始化了一个全局的变量 artController,其中主要包含一个 CModule,用以保存、搜索、当前进程的 hook 方法信息,方法的值是 ArtMethod 指针,数据保存在全局的线程安全哈希表中。 C 代码的部分关键实现如下:

void init (void) {
  g_mutex_init (&lock);
  methods = g_hash_table_new_full (NULL, NULL, NULL, NULL);
  replacements = g_hash_table_new_full (NULL, NULL, NULL, NULL);
}

void set_replacement_method (gpointer original_method, gpointer replacement_method) {
  g_mutex_lock (&lock);
  g_hash_table_insert (methods, original_method, replacement_method);
  g_hash_table_insert (replacements, replacement_method, original_method);
  g_mutex_unlock (&lock);
}

同时在 CModule 中还定义若干个 native 方法用以实现一些高频调用的函数 hook,比如:

  • on_interpreter_do_call
  • on_art_method_get_oat_quick_method_header
  • on_art_method_pretty_method
  • on_leave_gc_concurrent_copying_copying_phase

最后获取了 C++ 的 new 和 delete 函数地址,以及根据运行时确定 MethodMangler 所属类,完成整个 API 的初始化。MethodMangler 类是对一个指定 Java 方法的封装,实现了调用、劫持、还原等操作,在后文还会继续进行介绍。

VM

VM 顾名思义,是对 Java 虚拟机的封装,更准确地说是实现了对 JavaVM * 的封装,包括下面的接口:

  • attachCurrentThread
  • detachCurrentThread
  • getEnv

值得一提的是初始化的地方:

function initialize () {
  const vtable = handle.readPointer();
  const options = {
    exceptions: 'propagate'
  };
  attachCurrentThread = new NativeFunction(vtable.add(4 * pointerSize).readPointer(), 'int32', ['pointer', 'pointer', 'pointer'], options);
  detachCurrentThread = new NativeFunction(vtable.add(5 * pointerSize).readPointer(), 'int32', ['pointer'], options);
  getEnv = new NativeFunction(vtable.add(6 * pointerSize).readPointer(), 'int32', ['pointer', 'pointer', 'int32'], options);
}

handle 是构造函数传入的 api.vm,即前文说到的 JNI_GetCreatedJavaVMs 调用的结果,其指针类型是 JavaVM *,内存布局如下所示:

#ifdef __cplusplus
typedef JavaVM_ JavaVM;
#else
typedef const struct JNIInvokeInterface_ *JavaVM;
#endif
struct JavaVM_ {
    const struct JNIInvokeInterface_ *functions;
#ifdef __cplusplus

    jint DestroyJavaVM() {
        return functions->DestroyJavaVM(this);
    }
    jint AttachCurrentThread(void **penv, void *args) {
        return functions->AttachCurrentThread(this, penv, args);
    }
    jint DetachCurrentThread() {
        return functions->DetachCurrentThread(this);
    }

    jint GetEnv(void **penv, jint version) {
        return functions->GetEnv(this, penv, version);
    }
    jint AttachCurrentThreadAsDaemon(void **penv, void *args) {
        return functions->AttachCurrentThreadAsDaemon(this, penv, args);
    }
#endif
};

这是兼容 C 和 C++ 的写法,由于 ART 虚拟机是用 C++ 写的,因此要想找到这几个函数的地址,首先需要获得 JNIInvokeInterface_ 的地址,其正好是 JavaVM 的第一个元素。然后再根据下面的偏移即可获取到 AttachCurrentThread 等函数的实际地址。

struct JNIInvokeInterface_ {
    void *reserved0;
    void *reserved1;
    void *reserved2;

    jint (JNICALL *DestroyJavaVM)(JavaVM *vm);
    jint (JNICALL *AttachCurrentThread)(JavaVM *vm, void **penv, void *args);
    jint (JNICALL *DetachCurrentThread)(JavaVM *vm);
    jint (JNICALL *GetEnv)(JavaVM *vm, void **penv, jint version);
    jint (JNICALL *AttachCurrentThreadAsDaemon)(JavaVM *vm, void **penv, void *args);
};

ClassFactory

在 Runtime 中最后一个初始化的属性是 ClassFactory,虽然它其貌不扬,但却是很多核心操作的实施者,比如通过类名获取目标类的接口 Java.use,又或者是获取某个类在内存中实例的接口 Java.choose,等等。

在平时对一些 APP 进行测试的时候,我们会发现 frida 对于一些加壳的 APP 也同样能够进行注入和劫持,即便是类似 libjiagu 这种动态修改 ClassLoader 的壳,那么 frida 是如何查找类的呢?或者说,是如何找到被加固的类所属的 ClassLoader 的呢?还有 Java.choose 为什么可以找到类的示例,原理是什么?……

类查找

了解 frida 的人可能都知道,我们一般使用 Java.use 来获取目标类的 Wrapper,其实现为:

use (className, options = {}) {
  const allowCached = options.cache !== 'skip';

  let C = allowCached ? this._getUsedClass(className) : undefined;
  if (C === undefined) {
    try {
      const env = vm.getEnv();

      const { _loader: loader } = this;
      const getClassHandle = (loader !== null)
        ? makeLoaderClassHandleGetter(className, loader, env)
        : makeBasicClassHandleGetter(className);

      C = this._make(className, getClassHandle, env);
    } finally {
      if (allowCached) {
        this._setUsedClass(className, C);
      }
    }
  }

  return C;
}

可能很多人都不知道 use 还可以携带第二个 options 参数,可用于指定是否缓存查找的结果。除去缓存的逻辑,如果没有特殊指定 loader,那么将会使用 makeBasicClassHandleGetter 来获取对应类的查找方法:

function makeBasicClassHandleGetter (className) {
  const canonicalClassName = className.replace(/\./g, '/');

  return function (env) {
    const tid = getCurrentThreadId();
    ignore(tid);
    try {
      return env.findClass(canonicalClassName);
    } finally {
      unignore(tid);
    }
  };
}

这里需要注意的是使用了 env.findClass 来获取类 handle,从名称看也能猜出这是 env->FindClass 方法,所以 handle 本身是一个 jclass 封装后的对象。_make 方法简化如下:

_make (name, getClassHandle, env) {
  const C = makeClassWrapperConstructor();
  const proto = Object.create(Wrapper.prototype, { ... });
  C.prototype = proto;

  const classWrapper = new C(null);
  proto.$w = classWrapper;

  const h = classWrapper.$borrowClassHandle(env);
  const classHandle = h.value;

  ensureClassInitialized(env, classHandle);
  proto.$l = ClassModel.build(classHandle, env);

  return classWrapper;
}

上面省略了一些初始化和异常处理的代码,重要的是最后两个语句,ensureClassInitialized 确保对应类被 Java 虚拟机成功加载:

function ensureClassInitialized (env, classRef) {
  const api = getApi();
  if (api.flavor !== 'art') {
    return;
  }

  env.getFieldId(classRef, 'x', 'Z');
  env.exceptionClear();
}

实现上就是通过 JNI 函数 GetFieldID 来试着取一下目标类的属性,即便该属性不存在,也会触发该类的初始化,当然还需要清理一下 NoSuchFieldException 异常。

类模型

env->FindClass 仅能找到一个 jclass,frida 在此基础上封装了一个类模型,使用 ClassModel.build 进行创建,其定义在 lib/class-model.js 中。在 Model 里定义了一个 CModule,与 Native 交互比较多或者调用频繁的代码直接使用 C 语言实现(这里主要原因是前者),包含的函数有:

  • model_new/has/find/list - 用于创建、查找、列举自定义的 Model * 信息;
  • enumerate_methods_art/jvm - 用于获取指定类的所有方法;
  • dalloc - 使用 g_free 释放堆内存;

看过 ART 源码的同学应该比较熟悉,jclass 本质上是对应 art::mirror::Class 在内存中的地址,在 AOSP 中一般通过下述方式进行转换和使用:

static void SomeFunc(JNIEnv *env, jclass javaClass) {
    ScopedObjectAccess soa(env);
    ObjPtr<mirror::Class> c = soa.Decode<mirror::Class>(javaClass);
}

有了 mirror::Class 之后,就可以通过以下的字段去进一步获取类相关信息:

// C++ mirror of java.lang.Class
class MANAGED Class final : public Object {
  // ...
  uint64_t ifields_;
  uint64_t methods_;
  uint64_t sfields_;
  uint32_t access_flags_;
  // ...
  uint16_t copied_methods_offset_;
}

frida 中根据不同版本的 ART 写死了 ifields_ 的偏移,并以此往后计算其他字段,但是 copied_methods_offset_ 除外,因为其位置并不固定在上述字段具体位置,因此也需要通过不同的 ART 版本进行确定。

  • **ifields_** 表示该类的实例属性(instance fields),不包含父类所定义的属性。该值为一个指针,指向一个带有长度前缀的 ArtFields 数组;
  • **methods_** 指针同样是带长度前缀的数组,元素类型为 ArtMethod,其中包括所有该类定义的方法。
    • virtual_methods_offset_ 之前的是直接方法;
    • [virtual_methods_offset_, copied_methods_offset_) 之间的是抽象方法;
    • copied_methods_offset_ 之后的是从接口复制过来的默认方法;
  • **sfields_** 和 ifields 类似,区别是表示静态属性;

frida 中对类模型的封装是如下:

class Model {
  static build (handle, env) {
    ensureInitialized(env);

    return unwrap(handle, env, object => {
      return new Model(cm.new(handle, object, env));
    });
  }
}

cm.new 对应 CModule 的 C 函数:

Model * model_new (jclass class_handle, gpointer class_object, JNIEnv * env) {
  model = g_new (Model, 1);

  members = g_hash_table_new_full (g_str_hash, g_str_equal, g_free, g_free);
  model->members = members;

  elements = read_art_array (class_object, art_api.class_offset_methods, sizeof (gsize), NULL);
  n = *(guint16 *) (class_object + art_api.class_offset_copied_methods_offset);
  // 读取方法
  for (i = 0; i != n; i++) {
    jmethodID id;
    guint32 access_flags;
    jboolean is_static;
    jobject method, name;
    const char * name_str;
    jint modifiers;

    id = elements + (i * art_api.method_size);

    access_flags = *(guint32 *) (id + art_api.method_offset_access_flags);
    if ((access_flags & kAccConstructor) != 0)
      continue;
    is_static = (access_flags & kAccStatic) != 0;
    method = to_reflected_method (env, class_handle, id, is_static);
    name = call_object_method (env, method, java_api.method.get_name);
    name_str = get_string_utf_chars (env, name, NULL);
    modifiers = access_flags & 0xffff;

    model_add_method (model, name_str, id, modifiers);

  }
  // 读取属性
  for (field_array_cursor = 0; field_array_cursor != G_N_ELEMENTS (field_arrays); field_array_cursor++) {
    // ...
    model_add_field (model, name_str, id, modifiers);
  }
  return model;
}

可见,对应 Class 的方法和属性都会保存在 Model 中的哈希表中,在我们使用对应 ClassWrapper 访问属性时候就可以通过接口进行快速地查找。注意这里哈希表的 key 是方法名称,value 是方法类型、jmethodId 以及重载信息,后续需要调用或者 hook 对应方法的时候才进行实际的方法模型构建操作。

ART Hook

前面介绍完了 Java.use 的具体实现,即类的查找和封装操作,下一步自然是针对方法的实现分析。前面分析 API 初始化的末尾处我们看到指定了 MethodMangler 为 ArtMethodMangler 作为方法的封装,本节介绍其具体实现。

MethodMangler

MethodMangler 同样是 API 定义的一个工具类,主要功能是用于实现 Java 方法封装和 Hook 操作。

在 Android 中分为 ART 和 Dalvik 两种实现,二者都提供了相同的接口:

  • constructor (methodId)
  • replace (impl, isInstanceMethod, argTypes, vm, api)
  • revert (vm)
  • resolveTarget (wrapper, isInstanceMethod, env, api)

每次 hook 指定方法的时候都会使用对应方法的 methodId 构造一个 MethodMangler,然后使用 replace 函数来替换目标方法实现;revert 则用来恢复原来的方法。

回忆使用 frida 进行 Android hook 的典型操作:

const Activity = Java.use("com.evilpan.MainActivity");
Activity.onCreate.implementation = function(bundle) {
    console.log("We're in!");
    return this.onCreate(bundle);
}

类初始化的部分前面已经介绍过了,第二行通过指定方法的 implementation 属性赋值来实现函数替换的操作本质上就是通过 MethodMangler 完成的,代码在 lib/class-factory.js,关键部分如下:

methodPrototype = Object.create(Function.prototype, {
    methodName: {
        enumerable: true,
        get () {
        return this._p[0];
        }
    },
    // holder: {},
    // type: {},
    // handle: {},
    implementation: {
        enumerable: true,
        get () {
            const replacement = this._r;
            return (replacement !== undefined) ? replacement : null;
        },
        set (fn) {
            const params = this._p;
            const holder = params[1];
            const type = params[2];

            if (type === CONSTRUCTOR_METHOD) {
                throw new Error('Reimplementing $new is not possible; replace implementation of $init instead');
            }

            const existingReplacement = this._r;
            if (existingReplacement !== undefined) {
                holder.$f._patchedMethods.delete(this);

                const mangler = existingReplacement._m;
                mangler.revert(vm);

                this._r = undefined;
            }

            if (fn !== null) {
                const [methodName, classWrapper, type, methodId, retType, argTypes] = params;

                const replacement = implement(methodName, classWrapper, type, retType, argTypes, fn, this);
                const mangler = makeMethodMangler(methodId);
                replacement._m = mangler;
                this._r = replacement;

                mangler.replace(replacement, type === INSTANCE_METHOD, argTypes, vm, api);

                holder.$f._patchedMethods.add(this);
            }
        }
    },
    // returnType: {},
    // argumentTypes: {},
    // canInvokeWith: {},
    // clone: {},
    // invoke: {}
});

当对目标方法赋值时,调用了 set 方法,首先会判断是否之前有替换过,如果有的话直接将原 hook 函数替换,从这里可以看出 frida 在 针对 Java 目前还没有实现多重 hook;对于未 hook 情况,会创建对应的 MethodMangler 并保存到 Method._r._m 中。

值得注意的是 Method._p 属性,这是一个数组,依次包含对应方法的信息:

idx meaning
0 methodName
1 classWrapper
2 type
3 methodId
4 retType
5 argTypes
6 jniCall
7

replacement 将用户提供的 hook JavaScript 方法封装后转换成一个 NativeCallbacks 进行后续处理,而实际替换则使用 mangler.replace 进行实现。

方法封装

上面传给 MehtodMangler 的 methodId 对应 JNI 的 jmethodId,那么问题来了,jmethodId 如何转换成 ArtMethod 指针呢?直觉认为应该和 jclass 差不多,直接强制转换就行了,很可惜这个直觉只对了一半,对于旧版本的 ART 这个猜测是正确的,但是在新版本中进行了部分重构。frida 中使用的是之前保存的一个 ART 函数 art::jni::JniIdManager::DecodeMethodId 来实现。

通过查看 Android 源码可以发现,该方法在一部分情况下是可以直接转换的,但是当使用摇色子模式且 jmethodId 是奇数时,会使用一个静态的哈希表来获取对应的原始指针,如下所示:

template <typename ArtType> ArtType* JniIdManager::DecodeGenericId(uintptr_t t) {
  if (Runtime::Current()->GetJniIdType() == JniIdType::kIndices && (t % 2) == 1) {
    ReaderMutexLock mu(Thread::Current(), *Locks::jni_id_lock_);
    size_t index = IdToIndex(t);
    DCHECK_GT(GetGenericMap<ArtType>().size(), index);
    return GetGenericMap<ArtType>().at(index);
  } else {
    DCHECK_EQ((t % 2), 0u) << "id: " << t;
    return reinterpret_cast<ArtType*>(t);
  }
}

ArtMethod* JniIdManager::DecodeMethodId(jmethodID method) {
  return DecodeGenericId<ArtMethod>(reinterpret_cast<uintptr_t>(method));
}

由于转换方式相对繁琐,因此 frida 没有自己计算,而是通过 JniIdManager 的成员方法来辅助获取。

方法替换

回顾上文介绍的 implementaion.set,其中 Java 方法替换主要就是通过 MethodManglerreplace 的方法实现的,这其中是 frida 进行 ART hook 的主要逻辑,需要我们重点关注。

其实在之前的文章 “ART 在 Android 安全攻防中的应用” 中已经简要介绍过了 ART Hook 的大致流程。这里再深入介绍一次,当然主要原因是我自己忘得差不多了,学而时习之,不亦悦乎?

在 ART 虚拟机中,对于方法的调用,大部分会调用到 ArtMethod::Invoke,因此我们可以以此为起点理解实际调用的过程。注意是大部分而不是所有,后面会解释为什么。

Invoke 的核心逻辑如下:

void ArtMethod::Invoke(Thread* self, uint32_t* args, uint32_t args_size, JValue* result, const char* shorty) {
    if (UNLIKELY(!runtime->IsStarted() || (self->IsForceInterpreter() && !IsNative() && !IsProxyMethod() && IsInvokable()))) {
        if (IsStatic()) {
            art::interpreter::EnterInterpreterFromInvoke(
                self, this, nullptr, args, result, /*stay_in_interpreter=*/ true);
        } else {
            mirror::Object* receiver = reinterpret_cast<StackReference<mirror::Object>*>(&args[0])->AsMirrorPtr();
            art::interpreter::EnterInterpreterFromInvoke(self, this, receiver, args + 1, result, /*stay_in_interpreter=*/ true);
        }
  } else {
    if (!IsStatic()) {
        (*art_quick_invoke_stub)(this, args, args_size, self, result, shorty);
    } else {
        (*art_quick_invoke_static_stub)(this, args, args_size, self, result, shorty);
    }
  }
}

主要分为两种情况,一种是 ART 未初始化完成或者系统配置强制以解释模式运行,此时则进入解释器;另一种情况是有 native 代码时,比如 JNI 代码、OAT 提前编译过的代码或者 JIT 运行时编译过的代码以及代理方法等,此时则直接跳转到 invoke_stub 去执行。

对于解释执行的情况,也细分为两种情况,一种是真正的解释执行,不断循环解析 CodeItem 中的每条指令并进行解析;另外一种是在当前解释执行遇到 native 方法时,这种情况一般是遇到了 JNI 函数,这时则通过 method->GetEntryPointFromJni() 获取对应地址进行跳转,所跳转的地址为:

class ArtMethod final {
// ...
struct PtrSizedFields {
    // Depending on the method type, the data is
    //   - native method: pointer to the JNI function registered to this method
    //                    or a function to resolve the JNI function,
    //   - resolution method: pointer to a function to resolve the method and
    //                        the JNI function for @CriticalNative.
    //   - conflict method: ImtConflictTable,
    //   - abstract/interface method: the single-implementation if any,
    //   - proxy method: the original interface method or constructor,
    //   - other methods: during AOT the code item offset, at runtime a pointer
    //                    to the code item.
    void* data_;

    // Method dispatch from quick compiled code invokes this pointer which may cause bridging into
    // the interpreter.
    void* entry_point_from_quick_compiled_code_;
} ptr_sized_fields_;
// ...
};

而对于快速执行的模式是跳转到 stub 代码,以非静态方法为例,该 stub 定义在 art/runtime/arch/arm64/quick_entrypoints_arm64.S 文件中,大致作用是将参数保存在对应寄存器中,然后跳转到实际的地址执行:

.macro INVOKE_STUB_CALL_AND_RETURN

    REFRESH_MARKING_REGISTER
    REFRESH_SUSPEND_CHECK_REGISTER

    // load method-> METHOD_QUICK_CODE_OFFSET
    ldr x9, [x0, #ART_METHOD_QUICK_CODE_OFFSET_64]
    // Branch to method.
    blr x9

    // Pop the ArtMethod* (null), arguments and alignment padding from the stack.
    mov sp, xFP
    // ...
.endm

x0 的值保存着 ArtMethod 的地址,实际跳转的是对于 ArtMethod 的某个偏移,这个偏移定义在 art/tools/cpp-define-generator/art_method.def:

ASM_DEFINE(ART_METHOD_QUICK_CODE_OFFSET_64,
           art::ArtMethod::EntryPointFromQuickCompiledCodeOffset(art::PointerSize::k64).Int32Value())

对应的正好是 entry_point_from_quick_compiled_code_ 属性的偏移:

static constexpr MemberOffset EntryPointFromQuickCompiledCodeOffset(PointerSize pointer_size) {
  return MemberOffset(PtrSizedFieldsOffset(pointer_size) + OFFSETOF_MEMBER(
      PtrSizedFields, entry_point_from_quick_compiled_code_) / sizeof(void*)
          * static_cast<size_t>(pointer_size));
}

因此,不管是解释模式还是其他模式,只要目标方法有 native 代码,那么该方法的代码地址都是会保存在 entry_point_from_quick_compiled_code_ 字段,只不过这个字段的含义在不同的场景中略有不同。

所以我们若想要实现 ART Hook,理论上只要找到对应方法在内存中的 ArtMethod 地址,然后替换其 entrypoint 的值即可。但是前面说过,并不是所有方法都会走到 ArtMethod::Invoke。比如对于系统函数的调用,OAT 优化时会直接将对应系统函数方法的调用替换为汇编跳转,跳转的目的就是就是对应方法的 entrypoint,因为 boot.oat 由 zygote 加载,对于所有应用而言内存地址都是固定的,因此 ART 可以在优化过程中省略方法的查找过程从而直接跳转。

在这样的前提下,再让我们回到 frida 的代码,看它如何能实现针对包括系统函数在内所有方法的 hook。

首先 MethodMangler 接受的是 JNI 层的 jmethodId,通过前面介绍过的转换方法获取到了原始的 ArtMethod 指针,并保存到 methodId 属性中:

class ArtMethodMangler {
  constructor (opaqueMethodId) {
    const methodId = unwrapMethodId(opaqueMethodId);

    this.methodId = methodId;
    this.originalMethod = null;
    this.hookedMethodId = methodId;
    this.replacementMethodId = null;

    this.interceptor = null;
  }

当然 ArtMethod 结构体在不同版本中也是不同的,因此 frida 使用了一种特别的搜索方法来确定 jniCode(即data_)、quickCode、interpreterCode、accessFlag 的偏移,以及 ArtMethod 结构的大小。这些信息保存在 originalMethod 字段。

在执行方法替换的时候,会将原方法拷贝一份,地址保存在 replacementMethodId 中,然后对拷贝的方法进行 patch,主要修改以下几个字段:

patchArtMethod(replacementMethodId, {
    jniCode: impl,
    accessFlags: ((originalFlags & ~(kAccCriticalNative | kAccFastNative | kAccNterpEntryPointFastPathFlag)) | kAccNative) >>> 0,
    quickCode: api.artClassLinker.quickGenericJniTrampoline,
    interpreterCode: api.artInterpreterToCompiledCodeBridge
}, vm);

jniCode 替换为用户指定的 js 函数封装而成的 NativeFunction,并将 accessFlags 设置为 kAccNative,即 JNI 方法。quickCode 和 interpreterCode 分别是 Quick 模式和解释器模式的入口,替换为了上文中查找保存的 trampoline,令 Quick 模式跳转到 JNI 入口,解释器模式跳转到 Quick 代码,这样就实现了该方法的拦截,每次执行都会当做 JNI 函数执行到 jniCode 即我们替换的代码中。

这样就完成了吗?基本功能已经实现了,但是还要处理一些特殊的情况。比如防止解释器模式进入 fast_path:

let hookedMethodRemovedFlags = kAccFastInterpreterToInterpreterInvoke | kAccSingleImplementation | kAccNterpEntryPointFastPathFlag;
if ((originalFlags & kAccNative) === 0) {
  hookedMethodRemovedFlags |= kAccSkipAccessChecks;
}

patchArtMethod(hookedMethodId, {
  accessFlags: (originalFlags & ~(hookedMethodRemovedFlags)) >>> 0
}, vm);

另外,在 Android 8.0 后的 ART 中,使用了新一代的解释器 Nterp(Next-Generation Interpreter),直接使用汇编实现以提高执行性能和内存使用。

如果待 hook 方法是解释执行,且使用了 nterp,那么 frida 会将其入口替换为 art_quick_to_interpreter_bridge 来跳出解释器,并进入到实际的 quickCode 去执行,从而让我们的方法替换功能保持完整。

const { artNterpEntryPoint } = api;

if (artNterpEntryPoint !== undefined && quickCode.equals(artNterpEntryPoint)) {
  patchArtMethod(hookedMethodId, {
    quickCode: api.artQuickToInterpreterBridge
  }, vm);
}

虽然此时我们已经将目标 ArtMethod 改成了 Native 方法,且 JNI 的入口指向我们的 hook 函数,但如果该方法已经被 OAT 或者 JIT 优化成了二进制代码,此时在字节码层调用 invoke-xxx 时会通过方法的 entry_point_from_quick_compiled_code_ 直接跳转到 native 代码执行,而不是 quick_xxx_trampoline

因此对于这种情况,我们可以将 entrypoint 的地址重新指向 trampoline,但如前文所说,对于系统函数而言,其地址已知,因此调用方被优化后很可能直接就调转到了对应的 native 地址,而不会通过 entrypoint 去查找。因此 frida 采用的方法是直接修改目标方法的 quickCode 内容,将其替换为一段跳板代码,然后再间接跳转到我们的劫持实现中。

以 ARM64 为例,trampoline 的部分代码如下所示:

Memory.patchCode(trampoline, 256, code => {
  const writer = new Arm64Writer(code, { pc: trampoline });
  const relocator = new Arm64Relocator(target, writer);

  // Save FPRs.
  writer.putPushRegReg('d0', 'd1');
  writer.putPushRegReg('d2', 'd3');
  writer.putPushRegReg('d4', 'd5');
  writer.putPushRegReg('d6', 'd7');

  // Save core args, callee-saves & LR.
  writer.putPushRegReg('x1', 'x2');
  writer.putPushRegReg('x3', 'x4');
  writer.putPushRegReg('x5', 'x6');
  writer.putPushRegReg('x7', 'x20');
  writer.putPushRegReg('x21', 'x22');
  writer.putPushRegReg('x23', 'x24');
  writer.putPushRegReg('x25', 'x26');
  writer.putPushRegReg('x27', 'x28');
  writer.putPushRegReg('x29', 'lr');

  // Save ArtMethod* + alignment padding.
  writer.putSubRegRegImm('sp', 'sp', 16);
  writer.putStrRegRegOffset('x0', 'sp', 0);

  writer.putCallAddressWithArguments(artController.replacedMethods.findReplacementFromQuickCode, ['x0', 'x19']);

  // 保存调用结果,恢复寄存器 ...
}

quickCode 的替换使用使用 ArtQuickCodeInterceptor 完成,姑且理解为跳板管理器,保存在 MethodMangler 的 interceptor 属性中,这样在程序退出或者用户调用 method.implementation = null 时还会调用 interceptor.deactivate 恢复方法,防止残留 hook 代码导致的运行时崩溃。

总结

本文介绍了 frida 针对 ART 运行时的实现,其基本思路是通过运行时中的私有函数来与对应的 Java 虚拟机进行交互,其中大部分操作都基于 gum-js 接口进行实现,包括 Java 类和方法的封装、ART hook 以及 trampoline 汇编的编写等。除了 ART 还实现了 Dalvik 和 JVM 这两个虚拟机的接口,流程大同小异。甚至对于其他语言来说也是类似的,这也得益于 frida 开源社区的活跃性,相信未来会出现对更多高级语言的支持。

参考链接


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原文地址: https://evilpan.com/2022/04/17/frida-java/
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TO BE CONTINUED.