Android 插件化原理解析(4):Hook 机制之 AMS & PMS

在前面的文章中我们介绍了DroidPlugin的Hook机制,也就是代理方式Binder Hook;插件框架通过AOP实现了插件使用和开发的透明性。在讲述DroidPlugin如何实现四大组件的插件化之前,有必要说明一下它对ActivityManagerServiche以及PackageManagerService的Hook方式(以下简称AMS,PMS)。

ActivityManagerService对于FrameWork层的重要性不言而喻,Android的四大组件无一不与它打交道:

  1. startActivity最终调用了AMS的startActivity系列方法,实现了Activity的启动;Activity的生命周期回调,也在AMS中完成;
  2. startService,bindService最终调用到AMS的startService和bindService方法;
  3. 动态广播的注册和接收在AMS中完成(静态广播在PMS中完成)
  4. getContentResolver最终从AMSgetContentProvider获取到ContentProvider

PMS则完成了诸如权限校捡(checkPermission,checkUidPermission),Apk meta信息获取(getApplicationInfo等),四大组件信息获取(query系列方法)等重要功能。

在上文Android 插件化原理解析(3):Hook 机制之 Binder Hook中讲述了DroidPlugin的Binder Hook机制;我们知道AMSPMS就是以Binder方式提供给应用程序使用的系统服务,理论上我们也可以采用这种方式Hook掉它们。但是由于这两者使用得如此频繁,Framework给他们了一些“特别优待”,这也给了我们相对于Binder Hook更加稳定可靠的hook方式。

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

AMS获取过程

前文提到Android的四大组件无一不与AMS相关,也许读者还有些许疑惑;这里我就挑一个例子,依据Android源码来说明,一个简单的startActivity是如何调用AMS最终通过IPC到system_server的。

不论读者是否知道,我们使用startActivity有两种形式:

  1. 直接调用Context类的startActivity方法;这种方式启动的Activity没有Activity栈,因此不能以standard方式启动,必须加上FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK这个Flag。
  2. 调用被Activity类重载过的startActivity方法,通常在我们的Activity中直接调用这个方法就是这种形式;

Context.startActivity

我们查看Context类的startActivity方法,发现这竟然是一个抽象类;查看Context的类继承关系图如下:

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我们看到诸如ActivityService等并没有直接继承Context,而是继承了ContextWrapper;继续查看ContextWrapper的实现:

WTF!! 果然人如其名,只是一个wrapper而已;这个mBase是什么呢?这里我先直接告诉你,它的真正实现是ContextImpl类;至于为什么,有一条思路:mBase是在ContextWrapper构造的时候传递进来的,那么在ContextWrapper构造的时候可以找到答案
什么时候会构造ContextWrapper呢?它的子类ApplicationService等被创建的时候。

可以在App的主线程AcitivityThreadperformLaunchActivit方法里面找到答案;更详细的解析可以参考老罗的 Android应用程序启动过程源代码分析

好了,我们姑且当作已经知道Context.startActivity最终使用了ContextImpl里面的方法,代码如下:

代码相当简单;我们知道了两件事:

  1. 其一,我们知道了在Service等非Activity的Context里面启动Activity为什么需要添加FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK
  2. 其二,真正的startActivity使用了Instrumentation类的execStartActivity方法;继续跟踪:

到这里我们发现真正调用的是ActivityManagerNativestartActivity方法;如果你不清楚ActivityManagerActivityManagerService以及ActivityManagerNative之间的关系;建议先仔细阅读我之前关于Binder的文章 Binder学习指南

Activity.startActivity

Activity类的startActivity方法相比Context而言直观了很多;这个startActivity通过若干次调用辗转到达startActivityForResult这个方法,在这个方法内部有如下代码:

可以看到,其实通过Activity和ContextImpl类启动Activity并无本质不同,他们都通过Instrumentation这个辅助类调用到了ActivityManagerNative的方法。

Hook AMS

OK,我们到现在知道;其实startActivity最终通过ActivityManagerNative这个方法远程调用了AMSstartActivity方法。那么这个ActivityManagerNative是什么呢?

ActivityManagerNative实际上就是ActivityManagerService这个远程对象的Binder代理对象;每次需要与AMS打交道的时候,需要借助这个代理对象通过驱动进而完成IPC调用。

我们继续看ActivityManagerNativegetDefault()方法做了什么:

gDefault这个静态变量的定义如下:

由于整个Framework与AMS打交道是如此频繁,framework使用了一个单例把这个AMS的代理对象保存了起来;这样只要需要与AMS进行IPC调用,获取这个单例即可。这是AMS这个系统服务与其他普通服务的不同之处,也是我们不通过Binder Hook的原因——我们只需要简单地Hook掉这个单例即可。

这里还有一点小麻烦:Android不同版本之间对于如何保存这个单例的代理对象是不同的;Android 2.x系统直接使用了一个简单的静态变量存储,Android 4.x以上抽象出了一个Singleton类;具体的差异可以使用grepcode进行比较:差异

我们以4.x以上的代码为例说明如何Hook掉AMS;方法使用的动态代理,如果有不理解的,可以参考之前的系列文章Android 插件化原理解析(2):Hook 机制之动态代理

好了,我们hook成功之后启动Activity看看会发生什么:

可以看到,简单的几行代码,AMS已经被我们完全劫持了!! 至于劫持了能干什么,自己发挥想象吧~

DroidPlugin关于AMS的Hook,可以查看IActivityManagerHook这个类,它处理了我上述所说的兼容性问题,其他原理相同。另外,也许有童鞋有疑问了,你用startActivity为例怎么能确保Hook掉这个静态变量之后就能保证所有使用AMS的入口都被Hook了呢?

答曰:无他,唯手熟尔。

Android Framewrok层对于四大组件的处理,调用AMS服务的时候,全部都是通过使用这种方式;若有疑问可以自行查看源码。你可以从Context类的startActivity, startService,bindService, registerBroadcastReceiver, getContentResolver 等等入口进行跟踪,最终都会发现它们都会使用ActivityManagerNative的这个AMS代理对象来完成对远程AMS的访问。

PMS获取过程

PMS的获取也是通过Context完成的,具体就是getPackageManager这个方法;我们姑且当作已经知道了Context的实现在ContextImpl类里面,直奔ContextImpl类的getPackageManager方法:

可以看到,这里干了两件事:

  1. 真正的PMS的代理对象在ActivityThread类里面
  2. ContextImpl通过ApplicationPackageManager对它还进行了一层包装

我们继续查看ActivityThread类的getPackageManager方法,源码如下:

可以看到,和AMS一样,PMS的Binder代理对象也是一个全局变量存放在一个静态字段中;我们可以如法炮制,Hook掉PMS。

现在我们的目的很明切,如果需要Hook PMS有两个地方需要Hook掉:

  1. ActivityThread的静态字段sPackageManager
  2. 通过Context类的getPackageManager方法获取到的ApplicationPackageManager对象里面的mPM字段。

Hook PMS

现在使用代理Hook应该是轻车熟路了吧,通过上面的分析,我们Hook两个地方;代码信手拈来:

好了,Hook完毕我们验证以下结论;调用一下PMSgetInstalledApplications方法,打印日志如下:

OK,我们又成功劫持了PackageManager!!DroidPlugin 处理PMS的代码可以在IPackageManagerHook查看。

在结束讲解PackageManager的Hook之前,我们需要说明一点;那就是Context的实现类里面没有使用静态全局变量来保存PMS的代理对象,而是每拥有一个Context的实例就持有了一个PMS代理对象的引用;所以这里有个很蛋疼的事情,那就是我们如果想要完全Hook住PMS,需要精确控制整个进程内部创建的Context对象;所幸,插件框架中,插件的Activity,Service,ContentProvider,Broadcast等所有使用到Context的地方,都是由框架控制创建的;因此我们要小心翼翼地替换掉所有这些对象持有的PMS代理对象。

我前面也提到过,静态变量和单例都是良好的Hook点,这里很好地反证了这句话:想要Hook掉一个实例变量该是多么麻烦!

小结

写到这里,关于DroidPlugin的Hook技术的讲解已经完结了;我相信读者或多或少地认识到,其实Hook并不是一项神秘的技术;一个干净,透明的框架少不了AOP,而AOP也少不了Hook。

我所讲解的Hook仅仅使用反射和动态代理技术,更加强大的Hook机制可以进行字节码编织,比如J2EE广泛使用了cglib和asm进行AOP编程;而Android上现有的插件框架还是加载编译时代码,采用动态生成类的技术理论上也是可行的;之前有一篇文章Android动态加载黑科技 动态创建Activity模式,就讲述了这种方式;现在全球的互联网公司不排除有用这种技术实现插件框架的可能 ;我相信不远的未来,这种技术也会在Android上大放异彩。

了解完Hook技术之后,接下来的系列文章会讲述DroidPlugin对Android四大组件在插件系统上的处理,插件框架对于这一部分的实现是DroidPlugin的精髓,Hook只不过是工具而已。学习这部分内容需要对于Activity,Service,Broadcast以及ContentProvider的工作机制有一定的了解,因此我也会在必要的时候穿插讲解一些Android Framework的知识;我相信这一定会对读者大有裨益。

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