android java层实现hook替换method

Posted 2021-01-07 linghu_java

　　android上的热修复框架 AndFix 大家都很熟悉了，它的原理实际上很简单：

　　方法替换——Java层的每一个方法在虚拟机实现里面都对应着一个ArtMethod的结构体，只要把原方法的结构体内容替换成新的结构体的内容，在调用原方法的时候，真正执行的指令会是新方法的指令；这样就能实现热修复，详细代码见 AndFix。需要了解Android 虚拟机的方法调用过程才能彻底理解。

众所周知，AndFix是一种 native 的hotfix方案，它的替换过程是用 c 在 native层完成的，但其实，我们也可以用纯Java实现它！

方法替换原理

既然我们知道 AndFix 的原理是方法替换，那么为什么直接替换Java里面的 java.lang.reflect.Method 有什么问题吗？直接这样貌似很难下结论，那我们换个思路。我们实现方法替换的结果，就是调用原方法的时候最终是调用被替换的方法。因此，我们可以看看 java.lang.reflect.Method类的 invoke 方法。（Foo.bar()这种直接调用与反射调用Foo.class.getDeclaredMethod(“bar”).invoke(null) 有什么区别吗？）

1 private native Object invoke(Object receiver, Object[] args, boolean accessible)
2         throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException;

　　这个invoke是一个native方法，它的native实现在 art/runtime/native/java_lang_reflect_Method.cc 里面，这个jni方法最终调用了 art/runtime/reflection.cc 的 InvokeMethod方法：

 1 object InvokeMethod(const ScopedObjectAccessAlreadyRunnable& soa, jobject javaMethod,
 2                      jobject javaReceiver, jobject javaArgs, bool accessible) {
 3   // 略...
 4 
 5   mirror::ArtMethod* m = mirror::ArtMethod::FromReflectedMethod(soa, javaMethod);
 6 
 7   mirror::Class* declaring_class = m->GetDeclaringClass();
 8 
 9   // 按需初始化类，略。。
10 
11   mirror::Object* receiver = nullptr;
12   if (!m->IsStatic()) {
13     // Check that the receiver is non-null and an instance of the field‘s declaring class.
14     receiver = soa.Decode<mirror::Object*>(javaReceiver);
15     if (!VerifyObjectIsClass(receiver, declaring_class)) {
16       return NULL;
17     }
18 
19     // Find the actual implementation of the virtual method.
20     m = receiver->GetClass()->FindVirtualMethodForVirtualOrInterface(m);
21   }
22 
23   // 略..
24   InvokeWithArgArray(soa, m, &arg_array, &result, shorty);
25   // 略 。。
26   // Box if necessary and return.
27   return soa.AddLocalReference<jobject>(BoxPrimitive(mh.GetReturnType()->GetPrimitiveType(),
28                                                      result));
29 }

 

上面函数 InvokeMethod 的第二个参数 javaMethod 就是Java层我们进行反射调用的那个Method对象，在jni层反映为一个jobject；InvokeMethod这个native方法首先通过 mirror::ArtMethod::FromReflectedMethod 获取了Java对象的在native层的 ArtMethod指针，我们跟进去看看是怎么实现的：

1 ArtMethod* ArtMethod::FromReflectedMethod(const ScopedObjectAccessAlreadyRunnable& soa,  jobject jlr_method) {
2
3   mirror::ArtField* f =
4       soa.DecodeField(WellKnownClasses::java_lang_reflect_AbstractMethod_artMethod);
5   mirror::ArtMethod* method = f->GetObject(soa.Decode<mirror::Object*>(jlr_method))->AsArtMethod();
6   DCHECK(method != nullptr);
7   return method;
8 }

AndFix的实现里面，也正是使用这个 FromReflectedMethod 方法拿到Java层Method对应native层的ArtMethod指针，然后执行替换的。我们在这里看到了一点端倪，获取到了Java层那个Method对象的一个叫做 artMethod的字段，然后强转成了ArtMethod指针（这里的说法不是很准确，但是要搞明白这里面的细节一两篇文章讲不清楚 ~_~，我们暂且这么认为吧。）

上面我们也看到了，我们在native层替换的那个 ArtMethod 不是在 Java 层也有对应的东西么？我们直接替换掉 Java 层的这个artMethod 字段不就OK了？但是我们要注意的是，在Java里面除了基本类型，其他东西都是引用。要实现类似C++里面那种替换引用所指向内容的机智，需要一些黑科技。

Unsafe 和 Memory

要在Java层操作内容，也不是没有办法做到；JDK给我们留了一个后门：sun.misc.Unsafe 类；在OpenJDK里面这个类灰常强大，从内存操作到CAS到锁机制，无所不能（可惜的是据说JDK8要去掉？）但是在Android 平台还有一点点不一样，在 Android N之前，Android的JDK实现是 Apache Harmony，这个实现里面的Unsafe就有点鸡肋了，没法写内存；好在Android 又开了一个后门：Memory 类。

有了这两个类，我们就能在Java层进行简单的内存操作了！！由于这两个类是隐藏类，我写了一个wrapper，如下：

 1 private static class Memory {
 2 
 3     // libcode.io.Memory#peekByte
 4     static byte peekByte(long address) {
 5         return (Byte) Reflection.call(null, "libcore.io.Memory", "peekByte", null, new Class[]{long.class}, new Object[]{address});
 6     }
 7 
 8     static void pokeByte(long address, byte value) {
 9         Reflection.call(null, "libcore.io.Memory", "pokeByte", null, new Class[]{long.class, byte.class}, new Object[]{address, value});
10     }
11 
12     public static void memcpy(long dst, long src, long length) {
13         for (long i = 0; i < length; i++) {
14             pokeByte(dst, peekByte(src));
15             dst++;
16             src++;
17         }
18     }
19 }
20 
21 static class Unsafe {
22 
23     static final String UNSAFE_CLASS = "sun.misc.Unsafe";
24     static Object THE_UNSAFE;
25 
26     private static boolean is64Bit;
27 
28     static {
29         THE_UNSAFE = Reflection.get(null, UNSAFE_CLASS, "THE_ONE", null);
30         Object runtime = Reflection.call(null, "dalvik.system.VMRuntime", "getRuntime", null, null, null);
31         is64Bit = (Boolean) Reflection.call(null, "dalvik.system.VMRuntime", "is64Bit", runtime, null, null);
32     }
33 
34     public static long getObjectAddress(Object o) {
35         Object[] objects = {o};
36         Integer baseOffset = (Integer) Reflection.call(null, UNSAFE_CLASS,
37                 "arrayBaseOffset", THE_UNSAFE, new Class[]{Class.class}, new Object[]{Object[].class});
38         return ((Number) Reflection.call(null, UNSAFE_CLASS, is64Bit ? "getLong" : "getInt", THE_UNSAFE,
39                 new Class[]{Object.class, long.class}, new Object[]{objects, baseOffset.longValue()})).longValue();
40     }
41 }

 

具体实现

接下来思路就很简单了呀，用伪代码表示就是：　　

1 memcopy(originArtMethod, replaceArtMethod);

但是事情没有一个 sizeof 那么简单。你看AndFix的实现是在每个Android版本把ArtMethod这个结构体复制一份的；要想用sizeof还得把这个类所有的引用复制过来，及其麻烦。更何况在Java里面 sizeof都没有。不过也不是没有办法，既然我们已经能在Java层拿到对象的地址，只需要创建一个数组，丢两个ArtMethod，把两个数组元素的起始地址相减不就得到一个 artMethod的大小了吗？(此方法来自Android热修复升级探索——追寻极致的代码热替换)但是还有一个问题，我们要整个把 originMethod 的 artMethod 所在的内存直接替换为 replaceMethod 的artMethod 所在的内存（上面我们已经知道，Java层Method类的artMethod实际上就是native层的指针表示，在Android N上更明显，这玩意儿直接就是一个long），现在我们已经知道这两个地址是什么，那么我们把 replaceArtMethod 代表的内存复制到 originArtMethod 的区域，应该还需要知道一个 artMethod 有多大。

不过，既然我们实现了方法替换；还有最后一个问题，如果我们需要在替换后的方法里面调用原函数呢？这个也很简单，我们只需要把原函数copy一份保存起来，需要调用原函数的时候调用那个copy的函数不就行了？不过在具体实现的时候，会遇到一个问题，就是 Java的非static 非private的方法默认是虚方法，在调用这个方法的时候会有一个类似查找虚函数表的过程，这个在上面的代码 InvokeMethod 里面可以看到：　　

 1 mirror::Object* receiver = nullptr;
 2 if (!m->IsStatic()) {
 3   // Check that the receiver is non-null and an instance of the field‘s declaring class.
 4   receiver = soa.Decode<mirror::Object*>(javaReceiver);
 5   if (!VerifyObjectIsClass(receiver, declaring_class)) {
 6     return NULL;
 7   }
 8 
 9   // Find the actual implementation of the virtual method.
10   m = receiver->GetClass()->FindVirtualMethodForVirtualOrInterface(m);
11 }

详细代码见：github/epic

在调用的时候，如果不是static的方法，会去查找这个方法的真正实现；我们直接把原方法做了备份之后，去调用备份的那个方法，如果此方法是public的，则会查找到原来的那个函数，于是就无限循环了；我们只需要阻止这个过程，查看 FindVirtualMethodForVirtualOrInterface 这个方法的实现就知道，只要方法是 invoke-direct 进行调用的，就会直接返回原方法，这些方法包括：构造函数，private的方法( 见 https://source.android.com/devices/tech/dalvik/dalvik-bytecode.html) 因此，我们手动把这个备份的方法属性修改为private即可解决这个问题。