Android so注入(inject)和Hook技术学习（一）

　　以前对Android so的注入只是通过现有的框架，并没有去研究so注入原理，趁现在有时间正好拿出来研究一下。

　　首先来看注入流程。Android so的注入流程如下：

attach到远程进程 -> 保存寄存器环境 -> 获取目标程序的mmap, dlopen, dlsym, dlclose 地址 -> 远程调用mmap函数申请内存空间用来保存参数信息 -> 向远程进程内存空间写入加载模块名和调用函数->远程调用dlopen函数加载so文件 -> 远程调用dlsym函数获取目标函数地址->使用ptrace_call远程调用被注入模块的函数 -> 调用 dlclose 卸载so文件 -> 恢复寄存器环境 -> 从远程进程detach(进程暂停->ptrace函数调用，其他函数远程调用->进程恢复)

　　下面我们通过代码来实现这个流程。首先创建目录及文件：

　　jni
   　　 inject.c
    　　Android.mk
    　　Application.mk

　　在编写代码之前，我们先熟悉一下pt_regs结构体：　　

pt_regs结构的定义：
    struct pt_regs{
        long uregs[];
    };
    #define ARM_cpsr uregs[16]    存储状态寄存器的值
    #define ARM_pc uregs[15]    存储当前的执行地址
    #define ARM_lr uregs[14]    存储返回地址
    #define ARM_sp uregs[13]    存储当前的栈顶地址
    #define ARM_ip uregs[12]
    #define ARM_fp uregs[11]
    #define ARM_10 uregs[10]
    #define ARM_9 uregs[9]
    #define ARM_8 uregs[8]
    #define ARM_7 uregs[7]
    #define ARM_6 uregs[6]
    #define ARM_5 uregs[5]
    #define ARM_4 uregs[4]
    #define ARM_3 uregs[3]
    #define ARM_2 uregs[2]
    #define ARM_1 uregs[1]
    #define ARM_0 uregs[0]        存储R0寄存器的值，函数调用后的返回值会存储在R0寄存器中

在通过ptrace改变远程进程的执行流程之前，需要先读取和保存远程进程的所有寄存器的值，在ARM处理器下，ptrace函数中data参数的regs为pt_regs结构的指针，从远程进程获取的寄存器值将存储到该结构中。在远程进程执行detach操作之前，需要将远程进程的原寄存器的环境恢复，保证远程进程原有的执行流程不被破坏。如果不恢复寄存器的值，则执行detach操作之后会导致远程进程崩溃。

inject.c的代码如下：　　

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <sys/user.h>
 #include <asm/ptrace.h>
 #include <sys/ptrace.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <sys/mman.h>
 #include <dlfcn.h>
 #include <dirent.h>
 #include <unistd.h>
 #include <string.h>
 #include <elf.h>
 #include <android/log.h> #if defined(__i386__)
 #define pt_regs user_regs_struct
 #endif #define LOG_TAG "INJECT"
 #define LOGD(fmt, args...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, LOG_TAG, fmt, ##args)
 #define CPSR_T_MASK (1u << 5) const char* libc_path = "/system/lib/libc.so";
 const char* linker_path = "/system/bin/linker"; /*--------------------------------------------------
 *   功能:   向目标进程指定的地址中读取数据
 *
 *   参数:
 *           pid       需要注入的进程pid
 *           src       需要读取的目标进程地址
 *           buf       需要读取的数据缓冲区
 *           size      需要读取的数据长度
 *
 *   返回值: -1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_readdata(pid_t pid, uint8_t *src, uint8_t *buf, size_t size){
     uint32_t i, j, remain;
     uint8_t *laddr;     union u{
         long val;
         char chars[sizeof(long)];
     }d;     j = size/;
     remain = size%;
     laddr = buf;     for(i = ; i<j; i++){
         //从内存地址src中读取四个字节
         d.val = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, pid, src, );
         memcpy(laddr, d.chars, );
         src += ;
         laddr += ;
     }     if(remain > ){
         d.val = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, pid, src, );
         memcpy(laddr, d.chars, remain);
     }
     return ;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   向目标进程指定的地址中写入数据
 *
 *   参数:
 *           pid       需要注入的进程pid
 *           dest      需要写入的目标进程地址
 *           data      需要写入的数据缓冲区
 *           size      需要写入的数据长度
 *
 *   返回值: -1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_writedata(pid_t pid, uint8_t *dest, uint8_t *data, size_t size){
     uint32_t i, j, remain;
     uint8_t *laddr;     union u{
         long val;
         char u_data[sizeof(long)];
     }d;     j = size/;
     remain = size%;     laddr = data;     //先4字节拷贝
     for(i = ; i<j; i++){
         memcpy(d.u_data, laddr, );
         //往内存地址中写入四个字节,内存地址由dest给出
         ptrace(PTRACE_POKETEXT, pid, dest, d.val);         dest += ;
         laddr += ;
     }     //最后不足4字节的，单字节拷贝
     //为了最大程度的保持原栈的数据，需要先把原程序最后四字节读出来
     //然后把多余的数据remain覆盖掉四字节中前面的数据
     if(remain > ){
         d.val = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, pid, dest, );    //从内存地址中读取四个字节，内存地址由dest给出
         for(i = ; i<remain; i++){
             d.u_data[i] = *laddr++;
         }
         ptrace(PTRACE_POKETEXT, pid, dest, d.val);
     }
     return ;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   获取指定进程的寄存器信息
 *
 *   返回值: 失败返回-1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_getregs(pid_t pid, struct pt_regs *regs){
     if(ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, NULL, regs) < ){
         perror("ptrace_getregs: Can not get register values.");
         return -;
     }
     return ;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   修改目标进程寄存器的值
 *
 *   参数:
 *           pid        需要注入的进程pid
 *           pt_regs    需要修改的新寄存器信息
 *
 *   返回值: -1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_setregs(pid_t pid, struct pt_regs *regs){
     if(ptrace(PTRACE_SETREGS, pid, NULL, regs) < ){
         perror("ptrace_setregs:Can not set regsiter values.");
         return -;
     }
     return ;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   恢复程序运行
 *
 *   参数:
 *           pid        需要注入的进程pid
 *
 *   返回值: -1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_continue(pid_t pid){
     if(ptrace(PTRACE_CONT, pid, NULL, ) < ){
         perror("ptrace_cont");
         return -;
     }
     return ;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   附加进程
 *
 *   返回值: 失败返回-1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_attach(pid_t pid){
     if(ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, ) < ){
         perror("ptrace_attach");
         return -;
     }
     return ;
 } // 释放对目标进程的附加调试
 int ptrace_detach(pid_t pid)
 {
     if (ptrace(PTRACE_DETACH, pid, NULL, ) < ) {
         perror("ptrace_detach");
         return -;
     }       return ;
 }
 /*--------------------------------------------------
 *   功能:   获取进程中指定模块的首地址
 *    原理：  通过遍历/proc/pid/maps文件，来找到目的module_name的内存映射起始地址。
 *    由于内存地址的表达方式是startAddrxxxxxxx-endAddrxxxxxxx的，所以通过使用strtok(line,"-")来分割字符串获取地址
 *    如果pid = -1,表示获取本地进程的某个模块的地址，否则就是pid进程的某个模块的地址
 *   参数:
 *           pid             需要注入的进程pid, 如果为0则获取自身进程
 *           module_name        需要获取模块路径
 *
 *   返回值: 失败返回NULL, 成功返回addr
 *--------------------------------------------------*/
 void *get_module_base(pid_t pid, const char* module_name)
 {
     FILE* fp;
     long addr = ;
     char* pch;
     char filename[];
     char line[];     if(pid < ){
         snprintf(filename, sizeof(filename), "/proc/self/maps");
     }else{
         snprintf(filename, sizeof(filename), "/proc/%d/maps", pid);
     }     fp = fopen(filename, "r");     if(fp != NULL){
         while(fgets(line, sizeof(line), fp)){
             if(strstr(line, module_name)){
                 pch = strtok(line, "-");
                 //将参数pch字符串根据参数base(表示进制)来转换成无符号的长整型数
                 addr = strtoul(pch, NULL, );
                 if(addr == 0x8000)
                     addr = ;
                 break;
             }
         }
         fclose(fp);
     }
     return (void*)addr;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   获取目标进程中函数指针
 *
 *   参数:
 *           target_pid          需要注入的进程pid
 *           module_name            需要获取的函数所在的lib库路径
 *           local_addr            需要获取的函数所在当前进程内存中的地址
 *
 *           目标进程中函数指针 = 目标进程模块基址 - 自身进程模块基址 + 内存中的地址
 *
 *   返回值: 失败返回NULL, 成功返回ret_addr
 *--------------------------------------------------*/
 void* get_remote_addr(pid_t target_pid, const char* module_name, void* local_addr){
     void* local_handle, *remote_handle;
     //获取本地某个模块的起始地址
     local_handle = get_module_base(-, module_name);
     //获取远程pid的某个模块的起始地址
     remote_handle = get_module_base(target_pid, module_name);     LOGD("[+]get remote address: local[%x], remote[%x]\n", local_handle, remote_handle);     //local_addr - local_handle的值为指定函数(如mmap)在该模块中的偏移量，然后再加上remote_handle，结果就为指定函数在目标进程的虚拟地址
     void* ret_addr = (void*)((uint32_t)local_addr - (uint32_t)local_handle) + (uint32_t)remote_handle;
     return ret_addr;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   通过进程的名称获取对应的进程pid
 *   原理：  通过遍历/proc目录下的所有子目录，获取这些子目录的目录名(一般就是进程的进程号pid)。
 *            获取子目录名后，就组合成/proc/pid/cmdline文件名，然后依次打开这些文件，cmdline文件
 *            里面存放的就是进程名，通过这样就可以获取进程的pid了
 *   返回值: 未找到返回-1
 *--------------------------------------------------*/
 int find_pid_of(const char* process_name){
     int id;
     pid_t pid = -;
     DIR* dir;
     FILE* fp;
     char filename[];
     char cmdline[];     struct dirent* entry;     if(process_name == NULL){
         return -;
     }     dir = opendir("/proc");
     if(dir == NULL){
         return -;
     }     while((entry = readdir(dir)) != NULL){
         id = atoi(entry->d_name);
         if(id != ){
             sprintf(filename, "/proc/%d/cmdline", id);
             fp = fopen(filename, "r");
             if(fp){
                 fgets(cmdline, sizeof(cmdline), fp);
                 fclose(fp);// 释放对目标进程的附加调试                    if(strcmp(process_name, cmdline) == ){
                     pid = id;
                     break;
                 }
             }
         }
     }
     closedir(dir);
     return pid;
 } long ptrace_retval(struct pt_regs* regs){
     return regs->ARM_r0;
 } long ptrace_ip(struct pt_regs* regs){
     return regs->ARM_pc;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   调用远程函数指针
 *    原理：    1，将要执行的指令写入寄存器中，指令长度大于4个long的话，需要将剩余的指令通过ptrace_writedata函数写入栈中；
 *            2，使用ptrace_continue函数运行目的进程，直到目的进程返回状态值0xb7f（对该值的分析见后面红字）；
 *            3，函数执行完之后，目标进程挂起，使用ptrace_getregs函数获取当前的所有寄存器值，方便后面使用ptrace_retval函数获取函数的返回值。
 *   参数:
 *           pid             需要注入的进程pid
 *           addr             调用的函数指针地址
 *           params          调用的参数
 *           num_params      调用的参数个数
 *           regs            远程进程寄存器信息(ARM前4个参数由r0 ~ r3传递)
 *
 *   返回值: 失败返回-1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_call(pid_t pid, uint32_t addr, long* params, uint32_t num_params, struct pt_regs* regs){
     uint32_t i;
     for(i = ; i<num_params && i < ; i++){
         regs->uregs[i] = params[i];
     }     if(i < num_params){
         regs->ARM_sp -= (num_params - i) * sizeof(long);
         ptrace_writedata(pid, (void*)regs->ARM_sp, (uint8_t*)&params[i], (num_params - i)*sizeof(long));
     }
     //将PC寄存器值设为目标函数的地址
     regs->ARM_pc = addr;
     ////指令集判断
     if(regs->ARM_pc & ){
         /* thumb */
         regs->ARM_pc &= (~1u);
         regs->ARM_cpsr |= CPSR_T_MASK;
     }else{
          /* arm */
         regs->ARM_cpsr &= ~CPSR_T_MASK;
     }
     ///设置子程序的返回地址为空，以便函数执行完后，返回到null地址，产生SIGSEGV错误
     regs->ARM_lr = ;     //将修改后的regs写入寄存器中，然后调用ptrace_continue来执行我们指定的代码
     if(ptrace_setregs(pid, regs) == - || ptrace_continue(pid) == -){
         printf("error.\n");
         return -;
     }     int stat = ;
     /* WUNTRACED告诉waitpid，如果子进程进入暂停状态，那么就立即返回。如果是被ptrace的子进程，那么即使不提供WUNTRACED参数，也会在子进程进入暂停状态的时候立即返回。
     对于使用ptrace_cont运行的子进程，它会在3种情况下进入暂停状态：①下一次系统调用；②子进程退出；③子进程的执行发生错误。这里的0xb7f就表示子进程进入了暂停状态，
     且发送的错误信号为11(SIGSEGV)，它表示试图访问未分配给自己的内存, 或试图往没有写权限的内存地址写数据。那么什么时候会发生这种错误呢？显然，当子进程执行完注入的
     函数后，由于我们在前面设置了regs->ARM_lr = 0，它就会返回到0地址处继续执行，这样就会产生SIGSEGV了！
     */
     waitpid(pid, &stat, WUNTRACED);
     /*stat的值：高2字节用于表示导致子进程的退出或暂停状态信号值，低2字节表示子进程是退出(0x0)还是暂停(0x7f)状态。
     0xb7f就表示子进程为暂停状态，导致它暂停的信号量为11即sigsegv错误。*/
     while(stat != 0xb7f){
         if(ptrace_continue(pid) == -){
             printf("error.\n");
             return -;
         }
         waitpid(pid, &stat, WUNTRACED);
     }
     return ;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   调用远程函数指针
 *
 *   参数:
 *           pid            需要注入的进程pid
 *           func_name      调用的函数名称, 此参数仅作Debug输出用
 *           func_addr      调用的函数指针地址
 *           param          调用的参数
 *           param_num      调用的参数个数
 *           regs           远程进程寄存器信息(ARM前4个参数由r0 ~ r3传递)
 *
 *   返回值: 失败返回-1
 *--------------------------------------------------*/
 int ptrace_call_wrapper(pid_t target_pid, const char* func_name, void* func_addr, long* param, int param_num, struct pt_regs* regs){
     LOGD("[+]Calling %s in target process.\n", func_name);
     if(ptrace_call(target_pid, (uint32_t)func_addr, param, param_num, regs) == -)
         return -;
     if(ptrace_getregs(target_pid, regs) == -){
         return -;
     }
     LOGD("[+] Target process returned from %s, return value = %x, pc = %x \n", func_name, ptrace_retval(regs), ptrace_ip(regs));
     return ;
 } /*--------------------------------------------------
 *   功能:   远程注入
 *
 *   参数:
 *           target_pid          需要注入的进程Pid
 *           library_path           需要注入的.so路径
 *           function_name          .so中导出的函数名
 *           param                 函数的参数
 *            param_size            参数大小，以字节为单位
 *
 *   返回值: 注入失败返回-1
 *--------------------------------------------------*/
 int inject_remote_process(pid_t target_pid, const char* library_path, const char* function_name, const char* param, size_t param_size){
     int ret = -;
     void* mmap_addr, *dlopen_addr, *dlsym_addr, *dlclose_addr, *dlerror_addr;
     void *local_handle, *remote_handle, *dlhandle;
     uint8_t *map_base = ;
     uint8_t *dlopen_param1_ptr, *dlsym_param2_ptr, *saved_r0_pc_ptr, *inject_param_ptr, *remote_code_ptr, *local_code_ptr;     struct pt_regs regs, original_regs;
     extern uint32_t _dlopen_addr_s, _dlopen_param1_s, _dlopen_param2_s, _dlsym_addr_s, _dlsym_param2_s, _dlclose_addr_s, _inject_start_s, _inject_end_s, _inject_function_param_s, _saved_cpsr_s, _saved_r0_pc_s;     uint32_t code_length;
     long parameters[];     LOGD("[+] Injecting process: %d\n", target_pid);     //①ATTATCH，指定目标进程，开始调试
     if(ptrace_attach(target_pid) == -){
         goto exit;
     }     //②GETREGS，获取目标进程的寄存器，保存现场
     if(ptrace_getregs(target_pid, &regs) == -)
         goto exit;     //保存原始寄存器
     memcpy(&original_regs, &regs, sizeof(regs));     //③通过get_remote_addr函数获取目标进程的mmap函数的地址，以便为libxxx.so分配内存
     //由于mmap函数在libc.so库中，为了将libxxx.so加载到目标进程中，就需要使用目标进程的mmap函数，所以需要查找到libc.so库在目标进程的起始地址。
     mmap_addr = get_remote_addr(target_pid, libc_path, (void*)mmap);    //libc_path = "/system/lib/libc.so"
     LOGD("[+] Remote mmap address: %x\n", mmap_addr);     parameters[] = ;　　// 设置为NULL表示让系统自动选择分配内存的地址
     parameters[] = 0x4000;　　// 映射内存的大小
     parameters[] = PROT_READ | PROT_WRITE |PROT_EXEC;　　// 表示映射内存区域可读可写可执行
     parameters[] = MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE;　　// 建立匿名映射
     parameters[] = ;　　//若需要映射文件到内存中，则为文件的fd
     parameters[] = ;　　//文件映射偏移量     //④通过ptrace_call_wrapper调用mmap函数，在目标进程中为libxxx.so分配内存
     if(ptrace_call_wrapper(target_pid, "mmap", mmap_addr, parameters, , &regs) == -)
         goto exit;
     //⑤从寄存器中获取mmap函数的返回值，即申请的内存首地址：
     map_base = ptrace_retval(&regs);     //⑥依次获取linker中dlopen、dlsym、dlclose、dlerror函数的地址
     dlopen_addr = get_remote_addr(target_pid, linker_path, (void*)dlopen);
     dlsym_addr = get_remote_addr(target_pid, linker_path, (void*)dlsym);
     dlclose_addr = get_remote_addr(target_pid, linker_path, (void*)dlclose);
     dlerror_addr = get_remote_addr(target_pid, linker_path, (void*)dlerror);     LOGD("[+] Get imports: dlopen: %x, dlsym: %x, dlclose: %x, dlerror: %x\n", dlopen_addr, dlsym_addr, dlclose_addr, dlerror_addr);     printf("library path = %s\n", library_path);
     //⑦调用dlopen函数
     //(1)将要注入的so名写入前面mmap出来的内存
     ptrace_writedata(target_pid, map_base, library_path, strlen(library_path) + );     parameters[] = map_base;
     parameters[] = RTLD_NOW | RTLD_GLOBAL;     //(2)执行dlopen
     if(ptrace_call_wrapper(target_pid, "dlopen", dlopen_addr, parameters, , &regs) == -){
         goto exit;
     }
     //(3)取得dlopen的返回值，存放在sohandle变量中
     void* sohandle = ptrace_retval(&regs);     //⑧调用dlsym函数
     //为functionname另找一块区域
     #define FUNCTION_NAME_ADDR_OFFSET 0X100
     ptrace_writedata(target_pid, map_base + FUNCTION_NAME_ADDR_OFFSET, function_name, strlen(function_name) + );
     parameters[] = sohandle;
     parameters[] = map_base + FUNCTION_NAME_ADDR_OFFSET;     //调用dlsym
     if(ptrace_call_wrapper(target_pid, "dlsym", dlsym_addr, parameters, , &regs) == -)
         goto exit;
     void* hook_entry_addr = ptrace_retval(&regs);
     LOGD("hooke_entry_addr = %p\n", hook_entry_addr);     //⑨调用被注入函数hook_entry
     #define FUNCTION_PARAM_ADDR_OFFSET 0X200
     ptrace_writedata(target_pid, map_base + FUNCTION_PARAM_ADDR_OFFSET, parameters, strlen(parameters) + );
     parameters[] = map_base + FUNCTION_PARAM_ADDR_OFFSET;     if(ptrace_call_wrapper(target_pid, "hook_entry", hook_entry_addr, parameters, , &regs) == -)
         goto exit;
     //⑩调用dlclose关闭lib
     printf("Press enter to dlclose and detach.\n");
     getchar();
     parameters[] = sohandle;     if(ptrace_call_wrapper(target_pid, "dlclose", dlclose, parameters, , &regs) == -)
         goto exit;     //⑪恢复现场并退出ptrace
     ptrace_setregs(target_pid, &original_regs);
     ptrace_detach(target_pid);
     ret = ; exit:
     return ret;
 } int main(int argc, char** argv) {
     pid_t target_pid;
     target_pid = find_pid_of("com.bbk.appstore");
     if (- == target_pid) {
         printf("Can't find the process\n");
         return -;
     }
     //target_pid = find_pid_of("/data/test");
     inject_remote_process(target_pid, "/data/local/tmp/libentry.so", "hook_entry",  "Fuck you!", strlen("Fuck you!"));
     return ;
 }

上述代码中，我们要hook的进程名为”com.bbk.appstore”，我们要将“libentry.so”注入到该进程中去。

Android.mk内容为:

LOCAL_PATH := $(call my-dir)  include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE := inject
LOCAL_SRC_FILES := inject.c   #shellcode.s  LOCAL_LDLIBS += -L$(SYSROOT)/usr/lib -llog  #LOCAL_FORCE_STATIC_EXECUTABLE := true  include $(BUILD_EXECUTABLE)

Application.mk内容为:

# 编译生成的模块文件运行支持的平台
APP_ABI := armeabi-v7a
# 编译生成模块运行支持的Andorid版本
APP_PLATFORM := android-

在jni目录下运行nkd-build编译成生arm平台下的可执行文件：

ndk-build NDK_PROJECT_PATH=. APP_BUILD_SCRIPT=./Android.mk NDK_APPLICATION_MK=./Application.mk

再来生成要注入的so，创建目录及文件：

jni
    entry.c
    Android.mk
    Application.mk

entry.c的代码为：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <android/log.h>
#include <elf.h>
#include <fcntl.h>  #define LOG_TAG "DEBUG"
#define LOGD(fmt, args...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, LOG_TAG, fmt, ##args)    int hook_entry(char * a){
    LOGD("Hook success, pid = %d\n", getpid());
    LOGD("Hello %s\n", a);
    return ;
}

Android.mk文件：

LOCAL_PATH := $(call my-dir)  include $(CLEAR_VARS)  LOCAL_LDLIBS += -L$(SYSROOT)/usr/lib -llog
#LOCAL_ARM_MODE := arm
LOCAL_MODULE    := entry
LOCAL_SRC_FILES := entry.c
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

Application.mk文件内容跟上面一样。同样将entry.c进行编译。然后将得到inject和libentry.so push到/data/local/tmp目录下，执行：