Android Arm Inline Hook

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本文将结合本项目的源代码,详细阐述Android Arm
Inline Hook的原理与实现过程。

什么是Inline
Hook

Inline Hook即内部跳转Hook,通过替换函数开始处的指令为跳转指令,使得原函数跳转到自己的函数,通常还会保留原函数的调用接口。与GOT表Hook相比,Inline Hook具有更广泛的适用性,几乎可以Hook任何函数,不过其实现更为复杂,考虑的情况更多,并且无法对一些太短的函数Hook。
其基本原理请参阅网上其他资料。

需要解决的问题

  1. Arm模式与Thumb模式的区别
  2. 跳转指令的构造
  3. PC相关指令的修正
  4. 线程处理
  5. 其他一些细节

下面我将结合源码对这几个问题进行解决。

Arm模式与Thumb模式的区别

本文讨论的对象为基于32位的Arm架构的Inline Hook,在Arm版本7及以上的体系中,其指令集分为Arm指令集和Thumb指令集。Arm指令为4字节对齐,每条指令长度均为32位;Thumb指令为2字节对齐,又分为Thumb16、Thumb32,其中Thumb16指令长度为16位,Thumb32指令长度为32位。
在对一个函数进行Inline Hook时,首先需要判断当前函数指令是Arm指令还是Thumb指令,指令使用目标地址值的bit[0]来确定目标地址的指令类型。bit[0]的值为1时,目标程序为Thumb指令;bit[0]值为0时,目标程序为ARM指令。其相关实现代码为以下宏:

// 设置bit[0]的值为1
#define SET_BIT0(addr)		(addr | 1)
// 设置bit[0]的值为0
#define CLEAR_BIT0(addr)	(addr & 0xFFFFFFFE)
// 测试bit[0]的值,若为1则返回真,若为0则返回假
#define TEST_BIT0(addr)		(addr & 1)

跳转指令的构造

跳转指令主要分为以下两种:

  • B系列指令:B、BL、BX、BLX
  • 直接写PC寄存器

Arm的B系列指令跳转范围只有4M,Thumb的B系列指令跳转范围只有256字节,然而大多数情况下跳转范围都会大于4M,故我们采用LDR
PC, [PC, ?]
构造跳转指令。另外Thumb16指令中并没有合适的跳转指令,如果单独使用Thumb16指令构造跳转指令,需要使用更多的指令完成,并且在后续对PC相关指令的修正也更加繁琐,故综合考虑下,决定放弃对ARMv5的支持。
另外,Arm处理器采用3级流水线来增加处理器指令流的速度,也就是说程序计数器R15(PC)总是指向“正在取指”的指令,而不是指向“正在执行”的,即PC总是指向当前正在执行的指令地址再加2条指令的地址。比如当前指令地址是0×8000, 那么当前pc的值,在thumb下面是0×8000 + 2 2, 在arm下面是0×8000 + 4 2。
对于Arm指令集,跳转指令为:

LDR PC, [PC, #-4]
addr

LDR PC, [PC, #-4]对应的机器码为:0xE51FF004,addr为要跳转的地址。该跳转指令范围为32位,对于32位系统来说即为全地址跳转。
对于Thumb32指令集,跳转指令为:

LDR.W PC, [PC, #0]
addr

LDR.W PC, [PC, #0]对应的机器码为:0x00F0DFF8,addr为要跳转的地址。同样支持任意地址跳转。
其相关实现代码为:

// Arm Mode
if (TEST_BIT0(item->target_addr)) {
	int i;

	i = 0;
	if (CLEAR_BIT0(item->target_addr) % 4 != 0) {
		((uint16_t *) CLEAR_BIT0(item->target_addr))[i++] = 0xBF00;  // NOP
	}
	((uint16_t *) CLEAR_BIT0(item->target_addr))[i++] = 0xF8DF;
	((uint16_t *) CLEAR_BIT0(item->target_addr))[i++] = 0xF000;	// LDR.W PC, [PC]
	((uint16_t *) CLEAR_BIT0(item->target_addr))[i++] = item->new_addr & 0xFFFF;
	((uint16_t *) CLEAR_BIT0(item->target_addr))[i++] = item->new_addr >> 16;
}
// Thumb Mode
else {
	((uint32_t *) (item->target_addr))[0] = 0xe51ff004;	// LDR PC, [PC, #-4]
	((uint32_t *) (item->target_addr))[1] = item->new_addr;
}

首先通过TEST_BIT0宏判断目标函数的指令集类型,其中若为Thumb指令集,多了下面一个额外处理:

if (CLEAR_BIT0(item->target_addr) % 4 != 0) {
	((uint16_t *) CLEAR_BIT0(item->target_addr))[i++] = 0xBF00;  // NOP
}

对bit[0]的值清零,若其值4字节不对齐,则添加一个2字节的NOP指令,使得后续的指令4字节对齐。这是因为在Thumb32指令中,若该指令对PC寄存器的值进行了修改,则该指令必须是4字节对齐的,否则为非法指令。

PC相关指令的修正

不论是Arm指令集还是Thumb指令集,都存在很多的与PC值相关的指令,示例:B系列指令、literal系列指令等。原有函数的前几个被跳转指令替换的指令将会被搬移到trampoline_instructions中,此时PC值已经变动,所以需要对PC相关指令进行修正(所谓修正即为计算出实际地址,并使用其他指令完成同样的功能)。相关修正代码位于relocate.c文件中。其中INSTRUCTION_TYPE描述了需要修正的指令,限于篇幅,这里仅阐述Arm指令的修正过程,对应的代码为relocateInstructionInArm函数。
函数原型如下:

/*
target_addr: 待Hook的目标函数地址,即为当前PC值,用于修正指令
orig_instructions:存放原有指令的首地址,用于修正指令和后续对原有指令的恢复
length:存放的原有指令的长度,Arm指令为8字节;Thumb指令为12字节
trampoline_instructions:存放修正后指令的首地址,用于调用原函数
orig_boundaries:存放原有指令的指令边界(所谓边界即为该条指令与起始地址的偏移量),用于后续线程处理中,对PC的迁移
trampoline_boundaries:存放修正后指令的指令边界,用途与上相同
count:处理的指令项数,用途与上相同
*/
static void relocateInstructionInArm(uint32_t target_addr, uint32_t *orig_instructions, int length, uint32_t *trampoline_instructions, int *orig_boundaries, int *trampoline_boundaries, int *count);

具体实现中,首先通过函数getTypeInArm判断当前指令的类型,本函数通过类型,共分为4个处理分支:

  1. BLX_ARM、BL_ARM、B_ARM、BX_ARM
  2. ADD_ARM
  3. ADR1_ARM、ADR2_ARM、LDR_ARM、MOV_ARM
  4. 其他指令

BLX_ARM、BL_ARM、B_ARM、BX_ARM指令的修正

即为B系列指令(BLX <label>BL
<label>
B <label>BX
PC
)的修正,其中BLX_ARMBL_ARM需要修正LR寄存器的值,相关代码为:

if (type == BLX_ARM || type == BL_ARM) {
	trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE28FE004;	// ADD LR, PC, #4
}

接下来构造相应的跳转指令,即为:

trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE51FF004;  	// LDR PC, [PC, #-4]

最后解析指令,计算实际跳转地址value,并将其写入trampoline_instructions,相关代码为:

if (type == BLX_ARM) {
	x = ((instruction & 0xFFFFFF) << 2) | ((instruction & 0x1000000) >> 23);
}
else if (type == BL_ARM || type == B_ARM) {
	x = (instruction & 0xFFFFFF) << 2;
}
else {
	x = 0;
}

top_bit = x >> 25;
imm32 = top_bit ? (x | (0xFFFFFFFF << 26)) : x;
if (type == BLX_ARM) {
	value = pc + imm32 + 1;
}
else {
	value = pc + imm32;
}
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = value;

如此便完成了B系列指令的修正,关于指令的字节结构请参考Arm指令手册。

ADD_ARM指令的修正

ADD_ARM指的是ADR
Rd, <label>
格式的指令,其中<label>与PC相关。
首先通过循环遍历,得到Rd寄存器,代码如下:

int rd;
int rm;
int r;

// 解析指令得到rd、rm寄存器
rd = (instruction & 0xF000) >> 12;
rm = instruction & 0xF;

// 为避免冲突,排除rd、rm寄存器,选择一个临时寄存器Rr
for (r = 12; ; --r) {
	if (r != rd && r != rm) {
		break;
	}
}

接下来是构造修正指令:

// PUSH {Rr},保护Rr寄存器值
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE52D0004 | (r << 12);
// LDR Rr, [PC, #8],将PC值存入Rr寄存器中
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE59F0008 | (r << 12);
// 变换原指令`ADR Rd, <label>`为`ADR Rd, Rr, ?`
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = (instruction & 0xFFF0FFFF) | (r << 16);
//POP {Rr},恢复Rr寄存器值
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE49D0004 | (r << 12);
// ADD PC, PC,跳过下一条指令
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE28FF000;
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = pc;

ADR1_ARM、ADR2_ARM、LDR_ARM、MOV_ARM

分别为ADR Rd, <label>ADR
Rd, <label>
LDR Rt, <label>MOV
Rd, PC

同样首先解析指令,得到value,相关代码如下:

int r;
uint32_t value;

r = (instruction & 0xF000) >> 12;

if (type == ADR1_ARM || type == ADR2_ARM || type == LDR_ARM) {
	uint32_t imm32;
	
	imm32 = instruction & 0xFFF;
	if (type == ADR1_ARM) {
		value = pc + imm32;
	}
	else if (type == ADR2_ARM) {
		value = pc - imm32;
	}
	else if (type == LDR_ARM) {
		int is_add;
		
		is_add = (instruction & 0x800000) >> 23;
		if (is_add) {
			value = ((uint32_t *) (pc + imm32))[0];
		}
		else {
			value = ((uint32_t *) (pc - imm32))[0];
		}
	}
}
else {
	value = pc;
}

最后构造修正指令,代码如下:

// LDR Rr, [PC]
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE51F0000 | (r << 12);
// 跳过下一条指令
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xE28FF000;	// ADD PC, PC
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = value;

其他指令

事实上,还有些指令格式需要修正,示例:PUSH {PC}PUSH
{SP}
等,虽然这些指令被Arm指令手册标记为deprecated,但是仍然为合法指令,不过在实际汇编中并未发现此类指令,故未做处理,相关代码如下:

// 直接将指令存放到trampoline_instructions中
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = instruction;

处理完所有待处理指令后,最后加入返回指令:

// LDR PC, [PC, #-4]
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = 0xe51ff004;
trampoline_instructions[trampoline_pos++] = lr;

Thumb指令的修正,大家可以参考这里的思路,自行阅读源码。

线程处理

一个完善的Inline Hook方案必须要考虑多线程环境,即要考虑线程恰好执行到被修改指令的位置。在Window下,使用GetThreadContextSetThreadContext枚举所有线程,迁移context到搬迁后的指令中。然而在Linux+Arm环境下,并没有直接提供相同功能的API,不过可以使用ptrace完成,主要流程如下:

  1. 解析/proc/self/task目录,获取所有线程id
  2. 创建子进程,父进程等待。子进程枚举所有线程,PTRACE_ATTACH线程,迁移线程PC寄存器,枚举完毕后,子进程给自己发SIGSTOP信号,等待父进程唤醒
  3. 父进程检测到子进程已经SIGSTOP,完成Inline Hook工作,向子进程发送SIGCONT信号,同时等待子进程退出
  4. 子进程枚举所有线程,PTRACE_DETACH线程,枚举完毕后,子进程退出
  5. 父进程继续其他工作

这里使用子进程完成线程处理工作,实际上是迫不得已的。因为,如果直接使用本进程PTRACE_ATTACH线程,会出现operation
not permitted
,即使赋予root权限也是同样的错误,具体原因不得而知。
具体代码请参考freezeunFreeze两个函数。

其他一些细节

  1. 页保护
    页面大小为4096字节,使用mprotect函数修改页面属性,修改为PROT_READ
    | PROT_WRITE | PROT_EXEC
  2. 刷新缓存
    对于ARM处理器来说,缓存机制作用明显,内存中的指令已经改变,但是cache中的指令可能仍为原有指令,所以需要手动刷新cache中的内容。采用cacheflush即可实现。
  3. 一个已知的BUG
    虽然本库已经把大部分工作放在了registerInlineHook函数中,但是在inlineHookinlineUnHook函数中还是不可避免的使用了部分libc库的API函数,示例:mprotectmemcpymunmapfreecacheflush等。如果使用本库对上述API函数进行Hook,可能会失败甚至崩溃,这是因为此时原函数的指令已经被破坏,或者其逻辑已经改变。解决这个Bug有两个方案,第一是采用其他Hook技术;第二将本库中的这些API函数全部采用内部实现,即不依赖于libc库,可采用静态链接libc库,或者使用汇编直接调相应的系统调用号。