Android Arm Inline Hook

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

Arm模式与Thumb模式的区别
跳转指令的构造
PC相关指令的修正
线程处理
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：

123	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，例如：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：

BLX_ARM、BL_ARM、B_ARM、BX_ARM
ADD_ARM
ADR1_ARM、ADR2_ARM、LDR_ARM、MOV_ARM
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_ARM

和

BL_ARM

需要修正LR寄存器的值，相关代码为：

123	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：

1	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：

12345678910111213141516171819

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：

1234567891011121314

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Rrfor (r = 12; ; --r) { if (r != rd && r != rm) { break; }}

接下来是构造修正指令：

1234567891011

// 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：

123456789101112131415161718192021222324252627282930

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：

12345

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

其他指令

事实上，还有些指令格式需要修正，例如：

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：

12	// 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

GetThreadContext

和

SetThreadContext

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：

解析/proc/self/task目录，获取所有线程id
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
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
子进程枚举所有线程，PTRACE_DETACH线程，枚举完毕后，子进程退出
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

freeze

与

unFreeze

两个函数。

其他一些细节

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

。
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。
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

inlineHook

、

inlineUnHook

函数中还是不可避免的使用了部分libc库的API函数，例如：

mprotect

、

memcpy

、

munmap

、

free

、

cacheflush

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。

ARM平台backtrace与inlineHook多线程安全浅析

本文主要讨论了Android+ARM平台的backtrace原理以及inlineHook中涉及到的多线程安全的问题。

本文关于Arm Inline Hook线程处理的解决方案已经过时，新方案点这里

前言

在之前的Android inline hook项目中，在复杂环境下，如果遇到下面两个场景可能导致异常，甚至引起被hook进程的crash。
待hook的函数正在执行；
待hook的函数处于函数调用栈中；

举个例子，代码为：

#include <stdio.h>#include <pthread.h>#include "inlineHook.h"int new_thread(){ while(1) { printf("new_a\n"); sleep(1); }}int thread(){ while(1) { printf("a\n"); sleep(1); }}int main(){ int err; pthread_t tid; err = pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL); if (err) { return -1; } pthread_join(tid, NULL); return 0;}

当我们对要hook的代码前8-10个字节变动的时候，如果子线程刚好执行到此处，或者子线程的函数调用栈包含此处地址，那么有一定几率会导致异常甚至crash。

backtrace

为了防止上述情况发生，我们在hook之前需要对当前进程的所有线程做检测，以确保hook的函数不在当前的函数调用栈中。我们可以利用backtrace机制，获取线程的每层调用地址与我们需要hook的函数地址做比较，来实现该检测。

栈回溯（backtrace）是指程序运行时打印出当前的调用栈，在程序发生崩溃时，系统常常会打印出栈回溯信息。linux+arm平台下，编译器通过unwind实现栈回溯。



上面是在Android平台通过kill
-3 pid命令打印出的调用栈，包含了调用的函数、具体偏移地址以及现场保存的寄存器信息。我们只需要其中的每一层的调用具体地址即可。不走运的是，NDK中并没有提供直接backtrace的接口函数，查看源码，在dalvik/vm/interp/Stack.cpp的dvmDumpNativeStack函数实现了backtrace的功能，dvmDumpNativeStack源码如下：

void dvmDumpNativeStack(const DebugOutputTarget* target, pid_t tid){#ifdef HAVE_ANDROID_OS const size_t MAX_DEPTH = 32; backtrace_frame_t backtrace[MAX_DEPTH]; ssize_t frames = unwind_backtrace_thread(tid, backtrace, 0, MAX_DEPTH); if (frames > 0) { backtrace_symbol_t backtrace_symbols[MAX_DEPTH]; get_backtrace_symbols(backtrace, frames, backtrace_symbols); for (size_t i = 0; i < size_t(frames); i++) { char line[MAX_BACKTRACE_LINE_LENGTH]; format_backtrace_line(i, &backtrace[i], &backtrace_symbols[i], line, MAX_BACKTRACE_LINE_LENGTH); dvmPrintDebugMessage(target, " %s\n", line); } free_backtrace_symbols(backtrace_symbols, frames); } else { dvmPrintDebugMessage(target, " (native backtrace unavailable)\n"); }#endif}

dvmDumpNativeStack函数功能为打印指定线程的backtrace，这里是直接将打印信息输出，与需求不符。查阅system/core/libcorkscrew/backtrace.c中的unwind_backtrace_thread函数：

ssize_t unwind_backtrace_thread(pid_t tid, backtrace_frame_t* backtrace, size_t ignore_depth, size_t max_depth) { if (tid == gettid()) { return unwind_backtrace(backtrace, ignore_depth + 1, max_depth); } ALOGV("Unwinding thread %d from thread %d.", tid, gettid()); // TODO: there's no tgkill(2) on Mac OS, so we'd either need the // mach_port_t or the pthread_t rather than the tid.#if defined(CORKSCREW_HAVE_ARCH) && !defined(__APPLE__) struct sigaction act; struct sigaction oact; memset(&act, 0, sizeof(act)); act.sa_sigaction = unwind_backtrace_thread_signal_handler; act.sa_flags = SA_RESTART | SA_SIGINFO | SA_ONSTACK; sigemptyset(&act.sa_mask); pthread_mutex_lock(&g_unwind_signal_mutex); map_info_t* milist = acquire_my_map_info_list(); ssize_t frames = -1; if (!sigaction(SIGURG, &act, &oact)) { g_unwind_signal_state.map_info_list = milist; g_unwind_signal_state.backtrace = backtrace; g_unwind_signal_state.ignore_depth = ignore_depth; g_unwind_signal_state.max_depth = max_depth; ...

这里由于函数比较长，只贴出了前部分。其中判断如果线程id为当前线程id，则直接调用unwind_backtrace函数，而unwind_backtrace函数通过调用_Unwind_Backtrace、__Unwind_Backtrace、__gnu_Unwind_Backtrace解析.ARM.extab和.ARM.exidx节（具体解析过程实在有点麻烦，不再深入研究），将每层调用栈的信息存存入类型为backtrace_frame_t的backtrace结构体中，贴出backtrace_frame_t定义：

typedef struct { uintptr_t absolute_pc; /* absolute PC offset */ uintptr_t stack_top; /* top of stack for this frame */ size_t stack_size; /* size of this stack frame */} backtrace

其中absolute_pc即为调用地址，unwind_backtrace_thread的返回值则为调用栈的层数。

最后给出具体的方案：
遍历/proc/pid/task目录，获得进程下的所有线程id号；
通过tkill函数向所有线程发SIGSTOP信号；
通过dlopen、dlsym调用libcorkscrew.so的unwind_backtrace_thread函数，获得所有线程的函数调用栈信息；
遍历所有线程的函数调用栈信息，将每层调用地址与需要hook的函数作判断，若调用地址均不位于待hook的函数内，则可以安全的进行inline hook，否则停止；
通过tkill函数向所有线程发生SIGCONT信号；