Lsposed 技术原理探讨 && 基本安装使用

标签：Xposed app Lsposed 探讨 zygote init && 所示 main

目前市场上主流的Hook框架有两款，一个是Frida，另一个是Xposed。他们之间各有优缺点，简单总结来说：Frida快，但是不稳定；Xposed稳定，但是操作繁琐，减缓了分析的操作的速度。

1.1 Xposed && Lsposed

1.1.1 Xposed 系列工具发展历程

本章，先对Xposed展开讲解。那Lsposed是什么呢？和xposed有什么联系呢？既然大家购买了这本书，相信大家的技术水平已经不是停留在小白的水平了。这里只讲述核心的知识点。

对于Xposed、Edposed、Lsposed，非常有必要说明下它们的发展历程，方便于读者的理解。Xposed是早期的Hook框架，并且有成熟的社区以及API来支撑，但是它的作者在2017年就停止了项目的维护，如图1-1所示，Github的上Xposed的最新版本是v89，这个是后来增加的，最稳定的新版是v82版本，我们现在的框架依赖依然使用v82的版本。

图1-1 Xposed API

现对于2017年，已经过去5年的时间。技术是在不停的迭代升级的，虽然Xposed还能是使用，但是它本身繁琐的操作，每次编写完Hook代码后，需要重启手机，这样大大的减缓了分析的过程，并且浪费我们的生命。由于技术的升级，Xposed的特征也越来越多，被反调成了常有的事情。Xposed的作者对Xposed停止维护后，此框架依然起着很大的作用，后来出现了Edposed，并接管了Xposed的位置。但是Edposed的存在期间很短，框架本身也有很多弊病。于是，对于Edposed的改良框架Lspoded脱颖而出。Edposed我们在后面也不会提及，因为它只是一个过渡版本。

Lsposed是在Edposed的基础上进行改良的新框架。并且接管了Xposed的API，可以很好的兼容Xposed的API。所以我们后面的开发工作都是基于Xposed的API进行开发，再配合上Lsposed的优秀特性，体验感十分良好。

对于Xposed的弊端，这里有必要说明一下：Xposed会对所有的应用都进行注入，也就是全局模式，导致应用启动变得非常的慢，这个在Lsposed上有了很大的改良。在Lsposed上，我们可以对目标app选择注入，并且支持多选。这项改进也不算是重大的技术升级，说到底就是引导用户正确的使用Xposed，确保Xposed框架和模块不会做额外的事情。

图1-2 Lsposed github official declare

图1-2是Lsposed的官方声明，下面是对介绍的翻译：

Riru / Zygisk 模块试图提供一个 ART Hook 框架，该框架利用 LSPlant 挂钩框架提供与 OG Xposed 一致的 API。

Xposed 是一个模块框架，可以在不触及任何 APK 的情况下改变系统和应用程序的行为。这很棒，因为这意味着模块可以在不同版本甚至 ROM 上工作而无需任何更改（只要原始代码没有太大更改）。它也很容易撤消。由于所有更改都在内存中完成，您只需停用模块并重新启动即可恢复原始系统。还有许多其他优点，但这里只是一个优点：多个模块可以对系统或应用程序的同一部分进行更改。对于修改后的 APK，您必须选择一个。没有办法组合它们，除非作者用不同的组合构建了多个 APK。

从图1-2中还能看到它支持Android 8.1-13 的系统版本。补充说明下，Xposed旧版的API只支持的Android7，后来更新的出来的一些版本，如v89，是支持Android 8的版本的。

1.1.2 Xposed && Lsposed 框架原理

Xposed的Hook原理是从整个Android的启动流程入手而设计出来的框架，看懂Android的启动流程，也是从从按了开机键后，从硬件到软件，到底做了什么事情，我们才能更好的理解Xposed框架。

1.1.2.1 Android 启动流程

如图1-3所示：是Android启动的整个流程图，下面我们一一对每个节点进行介绍。

图1-3 Android 启动流程图

Android整系统分为四层，分别为kernel、Native、FrameWork、应用层（APP），loader也可以单独算一层，是硬件的启动加载预置项。

首先当我们长按开机键（电源按钮）开机，此时会引导芯片开始从固化到ROM中的预设代码处执行，然后加载引导程序到RAM。然后启动加载的引导程序，引导程序主要做一些基本的检查，包括RAM的检查，初始化硬件的参数。
到达内核层的流程后，这里初始化一些进程管理、内存管理、加载各种Driver等相关操作，如Camera Driver、Binder Driver 等。下一步就是内核线程，如软中断线程、内核守护线程。下面一层就是Native层，这里额外提一点知识，层于层之间是不可以直接通信的，所以需要一种中间状态来通信。Native层和Kernel层之间通信用的是syscall，Native层和Java层之间的通信是JNI。
在Native层会初始化init进程，也就是用户组进程的祖先进程。init中加载配置文件init.rc，init.rc中孵化出ueventd、logd、healthd、installd、lmkd等用户守护进程。开机动画启动等操作。核心的一步是孵化出Zygote进程，此进程是所有APP的父进程，这也是Xposed注入的核心，同时也是Android的第一个Java进程（虚拟机进程）。
进入框架层后，加载zygote init类，注册zygote socket套接字，通过此套接字来做进程通信，并加载虚拟机、类、系统资源等。zygote第一个孵化的进程是system_server进程，负责启动和管理整个Java Framework，包含ActivityManager、PowerManager等服务。
应用层的所有APP都是从zygote孵化而来

1.1.2.2 Xposed 注入源码剖析

上述是Android的大致流程，接下来我们从代码执行的角度来看执行链。

从图1-3中，我们可以总结出一条启动链：

init => init.rc => app_process => zygote => ...

一个应用的启动，核心的步骤是Framework层的zygote启动，zygote是所有进程的父进程，也就是说，所有APP应用进程都是由zygote孵化而来。为什么要从Native层开始说明呢？这是因为Native层开始就是Android源码的运行过程，Xposed的注入也就是从Native层开始的。

根据Android启动流程图可知，zygote是由app_process初始化产生的。app_process是一个二进制可执行文件，它的表现形式是一个bin文件，它位于/system/bin/app_process，如图1-4所示：

图1-4 Android app_process

app_process是由app_main.cpp编译而来，它的源码路径位于/frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp，Xposed就是将XposedInstaller.jar包替换原始的app_process来实现全局注入，所以我们每次编写完Hook代码后，需要重启手机才能生效。

init

从Android启动的流程图可知，首先进行的是init进程的启动，它在源码中对应着/system/core/init/init.cpp文件，如图1-5所示：

图1-5 /system/core/init/init.cpp

C++文件的启动从main开始，所以我们从main开始追，核心代码如下所示：

int main(int argc, char** argv) {
    ...

    if (bootscript.empty()) {            // 第一次开机
        parser.ParseConfig("/init.rc");  // 解析配置文件 init.rc
        parser.set_is_system_etc_init_loaded(
                parser.ParseConfig("/system/etc/init"));
        parser.set_is_vendor_etc_init_loaded(
                parser.ParseConfig("/vendor/etc/init"));
        parser.set_is_odm_etc_init_loaded(parser.ParseConfig("/odm/etc/init"));
    } else {
        parser.ParseConfig(bootscript);
        parser.set_is_system_etc_init_loaded(true);
        parser.set_is_vendor_etc_init_loaded(true);
        parser.set_is_odm_etc_init_loaded(true);
    }

    ...

    while (true) { ... }

    return 0;
}

可以看到，第一次开机后，它会解析init.rc配置文件，此配置文件中会创建文件，并做一些用户组分配、权限赋予的操作，它位于/system/core/rootdir/init.rc，如图1-6所示：

图1-6 /system/core/rootdir/init.rc

此外，还会有一些触发器的操作，源码如下所示：

# Now we can start zygote for devices with file based encryption
trigger zygote-start

zygote的生成就是由触发器生成的，在稍高一点的Android版本中，会分为32位和64位的zygote，如图1-7所示：

图1-7 不同位数的zygote

这里以init.zygote32.rc为例做说明，其它东西都是一样的，就是架构有区别。在init.zygote32.rc配置文件中，有如下代码：

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    socket zygote stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

我们只看第一句命令，这个是启动zygote进程的核心。这里加载了app_process文件，那么这个文件做了什么呢？app_process对应着Android源码中的app_main.cpp,他的位置如图1-8所示：

图1-8 app_main.cpp 位置

同样，我们还是看它的main函数，只不过这里要看他后面跟的参数是什么含义，参数匹配如图1-9所示：

图1-9 app_main.cpp main 参数匹配

代码中，可以看到对zygote做了标记，那我们继续追踪，看看哪里引用了这个bool变量，全局搜索后，最后匹配到了文件的末尾，代码如图1-10所示：

图1-10 zygote 引用

runtime.start加载了com.android.internal.os.ZygoteInit类，继续追踪runtime.start，最后定位到/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp，核心代码如下所示：

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    ...

    // 初始化 JNI 接口
    /* start the virtual machine */
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
	
    // 创建 env 指针
    JNIEnv* env;
    // 
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);

    /*
     * Register android functions.
     */
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }

    /*
     * We want to call main() with a String array with arguments in it.
     * At present we have two arguments, the class name and an option string.
     * Create an array to hold them.
     */
    jclass stringClass;
    jobjectArray strArray;
    jstring classNameStr;

    stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
    assert(stringClass != NULL);
    strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);
    assert(strArray != NULL);
    classNameStr = env->NewStringUTF(className);
    assert(classNameStr != NULL);
    env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);

    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
        jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());
        assert(optionsStr != NULL);
        env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);
    }

    /*
      * Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will
      * not return until the VM exits.
      */
    // 开启 VM 虚拟机，这个线程变成 VM 主线程，直到 VM 退出才结束
    // className => com.android.internal.os.ZygoteInit
    char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
        /* keep going */
    } else {  // 把 main 函数调起来
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
            /* keep going */
        } else {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

#if 0   // 条件编译
            if (env->ExceptionCheck())
                threadExitUncaughtException(env);
#endif
        }
    }
    free(slashClassName);
    ...
}

在后半段代码可以看出，会把com.android.internal.os.ZygoteInit类，通过Native层反射调用起来。根据类名，我们找到此文件的位置，

public static void main(String argv[]) {
    try {
		
        ...
		
        // socket 通信注册
        registerZygoteSocket(socketName);
        
        // 预加载所需资源到VM中，如class、resource、OpenGL、公用Library等；
        // 所有fork的子进程共享这份空间而无需重新加载，减少了应用程序的启动时间，
        // 但也增加了系统的启动时间，Android启动最耗时的部分之一。
        preload();
        
        // 初始化gc，只是通知VM进行垃圾回收，具体回收时间、怎么回收，由VM内部算法决定。
        // gc()需在fork前完成，这样将来复制的子进程才能有尽可能少的垃圾内存没释放；
        gcAndFinalize();

        // 启动system_server，即fork一个Zygote子进程
        if (startSystemServer) {
            Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);

			// {@code r == null} in the parent (zygote) process, and {@code r != null} in the
			// child (system_server) process.
			if (r != null) {
				r.run();
				return;
			}
        }

        // 进入循环模式，获取客户端连接并处理
        runSelectLoop(abiList);
        
        // 关闭和清理zygote socket
        closeServerSocket();
    } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
        caller.run();
    } catch (RuntimeException ex) {
        Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
        closeServerSocket();
        throw ex;
    }
}

这里是zygote的初始化，首先开启了socket的通信。在proload中预加载一些资源到VM中，所有fork后的子进程都可以共享这份资源，而无须重新启动。与此同时，增加了系统启动时间，这个环节是整个Android启动链条上耗时最长的部分。

核心在于forkSystemServer，通过此函数fork系统服务进程，代码如下所示：

private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,
            ZygoteServer zygoteServer) {

    ...

    int pid;

    try {
        parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
        ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
        ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

        /* Request to fork the system server process */
        pid = Zygote.forkSystemServer(
                parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags,
                null,
                parsedArgs.permittedCapabilities,
                parsedArgs.effectiveCapabilities);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    }

    /* For child process */
    if (pid == 0) {
        if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }

        zygoteServer.closeServerSocket();
        return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }
}

以上就是zygote的启动流程追踪，相信大家到这里都明白了。那么xposed如何Hook zygote，进而实现应用程序的Hook呢？这也是根据上述流程来的，上面说了，核心是替换app_process,app_process.cpp对应的文件是app_main.cpp，我们翻看Github上的Xposed源码，如图1-11所示：

图1-11 xposed app_main.cpp

在图片中，我们看到有两个app_main.cpp出现，那它们之间有什么区别的，这就需要看编译文件了，编译配置文件就是Android.mk，进去之后，最开始就看到它们是如何编译的，如图1-12所示：

图1-12 Android.mk

PLATFORM_SDK_VERSION是SDK的版本，大于等于21以上使用app_main2.cpp，而SDK21对应着Android5，如图1-13所示：

图1-13 Android 版本

通过Xposed的编译配置文件，可以得出Xposed定制了app_process文件，我们直接看app_main2.cpp，目前大家使用的手机型号都来到了Android 8及以上。在app_main2.cpp文件中，我们同样查看被标记的zygote代码，如图1-14所示：

图1-14 xposed app_main2.cpp 核心

它使用Xposed.initialize进行初始化，我们追进去看它的实现，源码位于xposed.cpp中，源码如下所示：

/** Initialize Xposed (unless it is disabled). */
bool initialize(bool zygote, bool startSystemServer, const char* className, int argc, char* const argv[]) {

	// 参数接管
    xposed->zygote = zygote;
    xposed->startSystemServer = startSystemServer;
    xposed->startClassName = className;
    xposed->xposedVersionInt = xposedVersionInt;

	// XposedBridge.jar 加载到 ClassPath 中
	return addJarToClasspath();
}

初始化完成后进入魔改的runtimeStart：

runtimeStart(runtime, isXposedLoaded ? XPOSED_CLASS_DOTS_ZYGOTE : "com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);

调用 XPOSED_CLASS_DOTS_ZYGOTE，即 xposedBridge 类的 main 方法，如图1-15所示：

图1-15 XposedBridge

查看xposedBridge类中的main方法，源码如下所示：

protected static void main(String[] args) {
	// Initialize the Xposed framework and modules
	try {
		if (!hadInitErrors()) {
			initXResources();

			SELinuxHelper.initOnce();
			SELinuxHelper.initForProcess(null);

			runtime = getRuntime();
			XPOSED_BRIDGE_VERSION = getXposedVersion();

			// 初始化
			if (isZygote) {
				XposedInit.hookResources();
				XposedInit.initForZygote();
			}

			XposedInit.loadModules();  // 加载 Xposed 模块
		} else {
			Log.e(TAG, "Not initializing Xposed because of previous errors");
		}
	} catch (Throwable t) {
		Log.e(TAG, "Errors during Xposed initialization", t);
		disableHooks = true;
	}

	// Call the original startup code  => 原始执行链
	if (isZygote) {
		ZygoteInit.main(args);
	} else {
		RuntimeInit.main(args);
	}
}

从源码得知，它会在此加载Xposed的资源文件，以此完成后续的Hook操作。