Android插件化原理解析——Hook机制之动态代理

2022-05-07 12:55:59

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使用代理机制进行API Hook进而达到方法增强是框架的常用手段，比如J2EE框架Spring通过动态代理优雅地实现了AOP编程，极大地提升了Web开发效率；同样，插件框架也广泛使用了代理机制来增强系统API从而达到插件化的目的。本文将带你了解基于动态代理的Hook机制。

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

代理是什么

为什么需要代理呢？其实这个代理与日常生活中的“代理”，“中介”差不多；比如你想海淘买东西，总不可能亲自飞到国外去购物吧，这时候我们使用第三方海淘服务比如惠惠购物助手等；同样拿购物为例，有时候第三方购物会有折扣比如当初的米折网，这时候我们可以少花点钱；当然有时候这个“代理”比较坑，坑我们的钱，坑我们的货。

从这个例子可以看出来，代理可以实现方法增强，比如常用的日志,缓存等；也可以实现方法拦截，通过代理方法修改原方法的参数和返回值，从而实现某种不可告人的目的～接下来我们用代码解释一下。

静态代理

静态代理，是最原始的代理方式；假设我们有一个购物的接口，如下：

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public interface Shopping {
    Object[] doShopping(long money);
}

它有一个原始的实现，我们可以理解为亲自，直接去商店购物：

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public class ShoppingImpl implements Shopping {
    @Override
    public Object[] doShopping(long money) {
        System.out.println("逛淘宝 ,逛商场,买买买!!");
        System.out.println(String.format("花了%s块钱", money));
        return new Object[] { "鞋子", "衣服", "零食" };
    }
}

好了，现在我们自己没时间但是需要买东西，于是我们就找了个代理帮我们买：

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public class ProxyShopping implements Shopping {

    Shopping base;

    ProxyShopping(Shopping base) {
        this.base = base;
    }

    @Override
    public Object[] doShopping(long money) {

        // 先黑点钱(修改输入参数)
        long readCost = (long) (money * 0.5);

        System.out.println(String.format("花了%s块钱", readCost));

        // 帮忙买东西
        Object[] things = base.doShopping(readCost);

        // 偷梁换柱(修改返回值)
        if (things != null && things.length > 1) {
            things[0] = "被掉包的东西!!";
        }

        return things;
    }

很不幸，我们找的这个代理有点坑，坑了我们的钱还坑了我们的货；先忍忍。

动态代理

传统的静态代理模式需要为每一个需要代理的类写一个代理类，如果需要代理的类有几百个那不是要累死？为了更优雅地实现代理模式，JDK提供了动态代理方式，可以简单理解为JVM可以在运行时帮我们动态生成一系列的代理类，这样我们就不需要手写每一个静态的代理类了。依然以购物为例，用动态代理实现如下：

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public static void main(String[] args) {
    Shopping women = new ShoppingImpl();
    // 正常购物
    System.out.println(Arrays.toString(women.doShopping(100)));
    // 招代理
    women = (Shopping) Proxy.newProxyInstance(Shopping.class.getClassLoader(),
            women.getClass().getInterfaces(), new ShoppingHandler(women));

    System.out.println(Arrays.toString(women.doShopping(100)));
}

动态代理主要处理InvocationHandler和Proxy类；完整代码可以见github

代理Hook

我们知道代理有比原始对象更强大的能力，比如飞到国外买东西，比如坑钱坑货；那么很自然，如果我们自己创建代理对象，然后把原始对象替换为我们的代理对象，那么就可以在这个代理对象为所欲为了；修改参数，替换返回值，我们称之为Hook。

下面我们Hook掉startActivity这个方法，使得每次调用这个方法之前输出一条日志；（当然，这个输入日志有点点弱，只是为了展示原理；只要你想，你想可以替换参数，拦截这个startActivity过程，使得调用它导致启动某个别的Activity，指鹿为马！）

首先我们得找到被Hook的对象，我称之为Hook点；什么样的对象比较好Hook呢？自然是容易找到的对象。什么样的对象容易找到？静态变量和单例；在一个进程之内，静态变量和单例变量是相对不容易发生变化的，因此非常容易定位，而普通的对象则要么无法标志，要么容易改变。我们根据这个原则找到所谓的Hook点。

然后我们分析一下startActivity的调用链，找出合适的Hook点。我们知道对于Context.startActivity（Activity.startActivity的调用链与之不同），由于Context的实现实际上是ContextImpl;我们看ConetxtImpl类的startActivity方法：

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@Override
public void startActivity(Intent intent, Bundle options) {
    warnIfCallingFromSystemProcess();
    if ((intent.getFlags()&Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK) == 0) {
        throw new AndroidRuntimeException(
                "Calling startActivity() from outside of an Activity "
                + " context requires the FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK flag."
                + " Is this really what you want?");
    }
    mMainThread.getInstrumentation().execStartActivity(
        getOuterContext(), mMainThread.getApplicationThread(), null,
        (Activity)null, intent, -1, options);
}

这里，实际上使用了ActivityThread类的mInstrumentation成员的execStartActivity方法；注意到，ActivityThread 实际上是主线程，而主线程一个进程只有一个，因此这里是一个良好的Hook点。

接下来就是想要Hook掉我们的主线程对象，也就是把这个主线程对象里面的mInstrumentation给替换成我们修改过的代理对象；要替换主线程对象里面的字段，首先我们得拿到主线程对象的引用，如何获取呢？ActivityThread类里面有一个静态方法currentActivityThread可以帮助我们拿到这个对象类；但是ActivityThread是一个隐藏类，我们需要用反射去获取，代码如下：

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// 先获取到当前的ActivityThread对象
Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
Method currentActivityThreadMethod = activityThreadClass.getDeclaredMethod("currentActivityThread");
currentActivityThreadMethod.setAccessible(true);
Object currentActivityThread = currentActivityThreadMethod.invoke(null);

拿到这个currentActivityThread之后，我们需要修改它的mInstrumentation这个字段为我们的代理对象，我们先实现这个代理对象，由于JDK动态代理只支持接口，而这个Instrumentation是一个类，没办法，我们只有手动写静态代理类，覆盖掉原始的方法即可。（cglib可以做到基于类的动态代理，这里先不介绍）

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public class EvilInstrumentation extends Instrumentation {

    private static final String TAG = "EvilInstrumentation";

    // ActivityThread中原始的对象, 保存起来
    Instrumentation mBase;

    public EvilInstrumentation(Instrumentation base) {
        mBase = base;
    }

    public ActivityResult execStartActivity(
            Context who, IBinder contextThread, IBinder token, Activity target,
            Intent intent, int requestCode, Bundle options) {

        // Hook之前, XXX到此一游!
        Log.d(TAG, "\n执行了startActivity, 参数如下: \n" + "who = [" + who + "], " +
                "\ncontextThread = [" + contextThread + "], \ntoken = [" + token + "], " +
                "\ntarget = [" + target + "], \nintent = [" + intent +
                "], \nrequestCode = [" + requestCode + "], \noptions = [" + options + "]");

        // 开始调用原始的方法, 调不调用随你,但是不调用的话, 所有的startActivity都失效了.
        // 由于这个方法是隐藏的,因此需要使用反射调用;首先找到这个方法
        try {
            Method execStartActivity = Instrumentation.class.getDeclaredMethod(
                    "execStartActivity",
                    Context.class, IBinder.class, IBinder.class, Activity.class, 
                    Intent.class, int.class, Bundle.class);
            execStartActivity.setAccessible(true);
            return (ActivityResult) execStartActivity.invoke(mBase, who, 
                    contextThread, token, target, intent, requestCode, options);
        } catch (Exception e) {
            // 某该死的rom修改了  需要手动适配
            throw new RuntimeException("do not support!!! pls adapt it");
        }
    }
}

Ok，有了代理对象，我们要做的就是偷梁换柱！代码比较简单，采用反射直接修改：

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public static void attachContext() throws Exception{
    // 先获取到当前的ActivityThread对象
    Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
    Method currentActivityThreadMethod = activityThreadClass.getDeclaredMethod("currentActivityThread");
    currentActivityThreadMethod.setAccessible(true);
    Object currentActivityThread = currentActivityThreadMethod.invoke(null);

    // 拿到原始的 mInstrumentation字段
    Field mInstrumentationField = activityThreadClass.getDeclaredField("mInstrumentation");
    mInstrumentationField.setAccessible(true);
    Instrumentation mInstrumentation = (Instrumentation) mInstrumentationField.get(currentActivityThread);

    // 创建代理对象
    Instrumentation evilInstrumentation = new EvilInstrumentation(mInstrumentation);

    // 偷梁换柱
    mInstrumentationField.set(currentActivityThread, evilInstrumentation);
}

好了，我们启动一个Activity测试一下，结果如下：

Android插件化原理解析——Hook机制之动态代理

可见，Hook确实成功了！这就是使用代理进行Hook的原理——偷梁换柱。整个Hook过程简要总结如下：

  1. 寻找Hook点，原则是静态变量或者单例对象，尽量Hook pulic的对象和方法，非public不保证每个版本都一样，需要适配。
  2. 选择合适的代理方式，如果是接口可以用动态代理；如果是类可以手动写代理也可以使用cglib。
  3. 偷梁换柱——用代理对象替换原始对象

完整代码参照：understand-plugin-framework；里面留有一个作业：我们目前仅Hook了Context类的startActivity方法，但是Activity类却使用了自己的mInstrumentation；你可以尝试Hook掉Activity类的startActivity方法。

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