突破 Android P 非公开 API 限制

  • 刘洪凯

2018 年 4 月 17 日

话题:Android语言 & 开发架构

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首先需要强调的是,为什么要突破限制,因为安卓中许多技术需求需要使用系统隐藏 API 完成。目前大量的安卓应用都会通过反射或 JNI 方式使用到系统隐藏 API, 这其中包括几乎全部插件化框架,典型的是对 AssetManager 中隐藏 API 的使用。开发新的项目也不可避免地会使用到系统隐藏 API。Android P 的这一限制会导致许多安卓应用以及开源框架在 Android P 上运行出现崩溃。因此突破此限制有很重要的意义。

另外,目前的几个方法均已在 Android P(Preview 1) 的手机上测试通过,均为有效。只要将来放出的 Android P 源码依然使用此限制原理,那么这些方法就保证有效。

最后,文中的几种方法均不会产生副作用。

一、概要

本文基于对 Android P(Preview 1) 的源码分析, 实现了三种绕过对调用隐藏 API 限制的方法, 有效性均已得到验证,能够成功调用系统隐藏 API。

二、限制原理

首先抛开 Android P 的具体实现过程,安卓系统要实现限制用户代码调用系统隐藏 API,至少要做以下两个区分:

  1. 必须区分一个 Method(或 Field)对用户代码是隐藏的还是公开的。只有隐藏的才需要进行限制。
  2. 必须区分调用者的身份:是用户代码调用的还是系统代码(例如 Activity 类)调用的。只有用户代码调用时才需要进行限制。

具体到 Android P 的代码实现,它会在所有通过反射方式和 JNI 方式获取 Method 和 Field 的地方调用以下函数判断是否用户代码调用了系统的隐藏 API(位于art/runtime/hidden_api.h),如果这个函数返回 true,那么说明用户代码调用了系统的隐藏 API,Android P(Preview1)会通过 log 发出警告,用户代码仍然能够获取到正确的 Method 或 Field,在后续版本中获取到的 Method 或 Field 极有可能为空。

那么它是如何进行上述两个区分的呢?

  1. 每个 Method(或 Field)都有一个对应的 access_flags_(uint32_t 类型),原本这个值通过一些特定位(bit)表明其属性(public,private,static 等),但是还有一些保留的未定义的位,Android P 就利用未定义的几个位,表明这个 Method(或 Field)是对用户代码隐藏的还是公开的。
  2. 通过回溯调用栈找到调用者所在的 Class,然后判断这个 Class 的 ClassLoader 是否为 BootStrapClassLoader,如果是 BoootStrapClassLoader 那么就认为调用者是系统代码,否则就认为调用者是用户代码。fn_caller_in_boot 就是一个函数指针,它用来判断调用者是否是 BootStrapClassLoader,反射调用和 JNI 调用时 fn_caller_in_boot 指向不同的函数,具体细节可查看源码。

下面我们以调用 android.app.ActivityThread 类的 currentActivityThread 这个隐藏方法为例,讲解绕过限制的方法。

三、绕过方法

方法一

通过上面的论述结合源码分析,我们发现只有在通过反射方式和 JNI 方式获取 Method 和 Field 时,系统才有可能拦截对隐藏 API 的获取,也就是说直接调用是可以的!因此方法一的核心思想就是想方设法直接调用系统隐藏 API。具体实现时需要用 Provided 方式提供 Module 或自定义 android.jar。下面以一个例子说明实现过程。

我们新建一个普通的 android 工程,在其 MainActivity 中直接调用 ActivityThread.currentActivityThread();发现 IDE 提示找不到类 ActivityThread,这是因为在 sdk 的 android.jar(位于 SDK/platforms/android-XX 目录下)中并没有这个类的声明,但是在实际运行时这个类是存在于系统中的。我们的解决方法是以 Provided 方式提供一个 Module,在此 Module 中提供需要的类(Provided 方式是为了编译通过,这样的 Module 的代码并不会编译到最终的 apk 中)。具体操作如下:

新建一个 Module,其类型为 Java Library,命名为 libfakeandroid,然后在 app 的 build.gradle 中以 Provided 方式依赖 libfakeandroid

之后在 libfakeandroid 中新建一个类 android.app.ActivityThread,并添加需要调用的隐藏 API,如下

完成以上操作之后,MainActivity 中就能直接调用 ActivityThread.currentActivityThread();方法了。在 Android P(Preview1)系统上运行不会出现警告 log,成功!

注意:如果需要调用的隐藏 API 所在的类已经位于 android.jar 中,Provided 方式不再适用,此时需要自定义 android.jar, 将需要的 Method 或 Field 添加到 android.jar 中。

优点:实现起来非常简单方便,并且稳定性很好。

缺点:只能调用访问权限为 public 和 default 的 Method 和 Field,不能直接调用 protected 和 private 的。

方法二

现在回头看"限制原理"中论述的两个区分,其实只要我们能够混淆任何一个区分点都能够成功绕过此限制。混淆第一个区分点,会让系统错误地认为原本隐藏的 API 是公开的;混淆第二个区分点,会让系统错误地将用户代码调用识别为系统代码调用。方法二的核心思想就是混淆第二个区分点

关注第二个区分点,可以发现,其实只要在 BootStrapClassLoader 加载的类中有任何一个帮助我们进行反射的类就能绕过这个问题,那么我们能否将我们 apk 中定义的类的 ClassLoader 改为 BootStrapClassLoader 呢?答案是肯定的!查看 art/runtime/mirror/class.h 可知 SetClassLoader 函数可以为一个类指定 ClassLoader,用 IDA 查看 /system/lib/libart.so 确认此函数位于导出符号表中。SetClassLoader 的第一个参数类型为ObjPtr<mirror::Class>,如何将 jclass 转化为此类型呢?通过在 Android 源码中查找,在 art/runtime/well_known_classes.h 中有一个非常合适的函数 ToClass 能够完成此任务,其声明如下

查看 libart.so 可知,ToClass 函数也在其导出符号表中,因此 ToClass 函数是一个恰当的函数。方法二的具体实现代码见下图

其中,my_dlsym 与 dlsym 类似,其功能是根据函数的导出符号寻找函数在进程中的地址。my_dlsym 是我们自定义的一个函数。

makeHiddenApiAccessable 调用成功之后,使用 com.test.hidefix.ReflectionHelper 类反射寻找隐藏 API,不会再出现 log 警告,成功!

实际工程中使用时可以将 ReflectionHelper 类作为一个工具类,代码中所有反射寻找 Method 和 Field 的地方均使用 ReflectionHelper 处理。注意:ReflectionHelper 类只能调用系统类,不能调用自己 app 代码中的任何类!否则会因为 ClassLoader 的全盘委托机制出现问题!

优点:能够调用所有隐藏 API;仅需要寻找两个导出函数,适配性较好;没有使用 Hook,稳定性好

缺点:JNI 方式获取 Method 和 Field 时也需要转到 ReflectionHelper 工具类完成

方法三

方法三通过混淆第一个区分点突破限制。只要修改被隐藏的 Method 或 Field 对应的 access_flags_,去掉其隐藏属性即可,下文为了论述方便,只以获取隐藏的 Method 为例进行说明,Field 同理。

实际上,只要获取到一个 jmethodID,将其强转为 ArtMethod* 类型,然后修改其 access_flags_ 即可。但是后续版本中应用代码无法获取隐藏 Method 的 jmethodID,貌似陷入一个死循环了。但是查看源码,我们是有方法获取 ArtMethod* 的:art/runtime/native/java_lang_Class.cc 有以下函数:

此函数是 Class.getDeclaredMethod 方法在 native 的实现,注意到这里是先获取的 result 然后才判断 ShouldBlockAccessToMember,因此我们可以 hook 获取 result 的 mirror::Class::GetDeclaredMethodInternal 这个函数,将得到的ObjPtr<mirror::Method>类型的 result 想办法转换为 ArtMethod* 类型即可。方法三具体实现代码如下:

应用到实际工程中时还需要 Hook 另外的类似函数,这里不再一一列举。

优点:原有代码无需修改,适用于原有代码量较多的情况。

缺点:需要使用 Hook,实现难度较大

四、总结

本文提出并实现了三种在 Android P 上调用隐藏 API 的方法,分别有不同特点和适用范围,工程中可以根据实际情况选用不同方法。


感谢徐川对本文的审校。

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