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VirtualApp Hook 框架分析

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作者：Oz

版权声明：本文图文为博主原创，转载请注明出处。

概述

对于插件化框架 Hook 机制是一个核心，那到底 Hook 是什么呢？怎么去理解插件化中的 Hook 呢？在我看来插件化中的 Hook 机制就是通过反射注入和动态代理来实现的。

先来说说何为反射注入，大家都知道依赖注入，其实反射注入算是依赖注入的一种，顾名思义，通过反射的方式将依赖对象注入目标对象。举个例子，想要替换掉 ActivityThread 中的 mInstrumentation：

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/*android.app.ActivityThread.java*/
public final class ActivityThread {
    Instrumentation mInstrumentation;
    
    public static ActivityThread currentActivityThread() {
        return sCurrentActivityThread;
    }
    ...
}

//Instrumentation代理类
public class InstrumentationDelegate extends Instrumentation {
    private Instrumentation base;

    public InstrumentationDelegate(Instrumentation base) {
		this.base = base;
    }
}

public class ReflectInject{
  
    public void reflectInject() throws Exception {
        // 根据全类名获取Class
        Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
        // 获取无参的currentActivityThread函数
        Method currentActivityThreadMethod = activityThreadClass.getMethod("currentActivityThread");
        // 调用currentActivityThread函数获取当前ActivityThread对象
        currentActivityThreadMethod.setAccessible(true);
        Object currentActivityThreadObject = currentActivityThreadMethod.invoke(null);
        // 获取mInstrumentation字段
        Field instrumentationField = activityThreadClass.getDeclaredField("mInstrumentation");
        // 破坏封装获取对象
        instrumentationField.setAccessible(true);
        Object instrumentationObject = instrumentationField.get(currentActivityThreadObject);
        // 注入Instrumentation代理对象
        if(!(instrumentationObject instanceof InstrumentationDelegate)) {
            instrumentationField.set(activityThreadClass, new InstrumentationDelegate((Instrumentation)instrumentationObject));
        }
    }
}

以上就是对于 mInstrumentation 的反射注入，当然凭借封装可以有更优雅的实现，这里为了方便展示过程粗暴直接。

关于动态代理大家可以参考彻底理解 Java 动态代理这篇文章，写得十分清晰。文章最后也提到了动态代理的局限性，动态代理无法支持对于非接口的类进行代理，所以在 Hook 时一般结合静态代理来特殊处理需要代理的类，比较典型的例子是 android.app.Instrumentation 的代理。好在 Android 系统服务大都通过 Binder 机制来实现的，而 Binder 机制的 C/S 架构对于接口的支持天然的好，这对于整个 Hook 框架中代理类实现的工作量来说就大大的减少了。

Hook 框架

我们知道 Hook 本身依赖反射机制，从上面示例上也可以看出，直接使用大量反射导致代码可读性、维护性变得非常差，从代码美观可读性、易维护性上来看，一个可读性强易维护的 Hook 框架显得尤为重要，目前众多开源的插件化框架中 VirtualApp 的 Hook 框架是最优秀的。为什么这么说呢，作者使用了基于注解的反射注入技术，合理的框架设计使得虽然 Hook 的对象非常多，代码却井井有条，不得不赞叹作者 lody 的巧妙构思，让人受益良多。

以下分析基于 master 分支 c493161 版本。

设计类图

又到了祭出法宝的时候了，废话不多说先看设计类图：

VA Diagram

点击放大查看高清无码大图

类图解析

首先作者设计了两个接口，一个是 Injectable ，这个接口比较简单，使实现这个接口的类都具备的注入的能力；

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public interface Injectable {

	void inject() throws Throwable;

	boolean isEnvBad();

}

另一个是 IHookObject ，使实现这个接口的类具备管理代理类的 Hook 函数能力。

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public interface IHookObject {

	void copyHooks(IHookObject from);

	Map<String, Hook> getAllHooks();

	Hook addHook(Hook hook);

	Hook removeHook(String hookName);

	void removeHook(Hook hook);

	void removeAllHook();

	<H extends Hook> H getHook(String name);

	Object getProxyInterface();

	Object getBaseInterface();

	int getHookCount();

}

上面我们提到了 Hook 函数这个概念，怎么理解这个概念呢，因为动态代理的调用是函数级别的，所以 Hook 相当于替换函数实现。再来看 Hook 这个抽象类，这个类定义了 Hook 的处理时机，以及提供一些 Hook 环境的依赖，实现类通过指定代理函数名，可以根据需要在 beforeCall 、call 、 afterCall 执行逻辑处理。所以， Hook 的实现类可以理解为代理函数的类象化。

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public abstract class Hook {
	
	private boolean enable = true;

	public abstract String getName();

	public boolean beforeCall(Object who, Method method, Object... args) {
		return true;
	}

	public Object call(Object who, Method method, Object... args) throws Throwable {
		return method.invoke(who, args);
	}

	public Object afterCall(Object who, Method method, Object[] args, Object result) throws Throwable {
		return result;
	}

	public boolean isEnable() {
		return enable;
	}

	public void setEnable(boolean enable) {
		this.enable = enable;
	}

	...

	@Override
	public String toString() {
		return "Hook${ " + getName() + " }";
	}
}

来看看抽象类 HookDelegate ，它是 IHookObject 的接口实现，在构造中通过 HookHandler 完成了动态代理，内部维护了 Hook 集合，代码如下。

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public abstract class HookDelegate<T> implements IHookObject {

	private static final String TAG = HookDelegate.class.getSimpleName();
	private T mBaseInterface;
	private T mProxyInterface;
	/**
	 * 内部维护的Hook集合
	 */
	private Map<String, Hook> internalHookMapping = new HashMap<String, Hook>();

	@Override
	public Map<String, Hook> getAllHooks() {
		return internalHookMapping;
	}

	public HookDelegate(Class<?>... proxyInterfaces) {
         // 获取接口，完成动态代理
		mBaseInterface = createInterface();
		if (mBaseInterface != null) {
			if (proxyInterfaces == null) {
				proxyInterfaces = HookUtils.getAllInterface(mBaseInterface.getClass());
			}
			mProxyInterface = (T) Proxy.newProxyInstance(mBaseInterface.getClass().getClassLoader(), proxyInterfaces, new HookHandler());
		} else {
			VLog.d(TAG, "Unable to build HookDelegate: %s.", getClass().getName());
		}
	}

	public HookDelegate() {
		this((Class[]) null);
	}

	protected abstract T createInterface();

	@Override
	public void copyHooks(IHookObject from) {
		this.internalHookMapping.putAll(from.getAllHooks());
	}

	// 添加 Hook 函数
	@Override
	public Hook addHook(Hook hook) {
		if (hook != null && !TextUtils.isEmpty(hook.getName())) {
			if (internalHookMapping.containsKey(hook.getName())) {
				VLog.w(TAG, "Hook(%s) from class(%s) have been added, can't add again.", hook.getName(),
						hook.getClass().getName());
				return hook;
			}
			internalHookMapping.put(hook.getName(), hook);
		}
		return hook;
	}

	...

	/**
	 * @return 包装后的代理对象
	 */
	@Override
	public T getProxyInterface() {
		return mProxyInterface;
	}

	/**
	 * @return 原对象
	 */
	@Override
	public T getBaseInterface() {
		return mBaseInterface;
	}

    ...

	private class HookHandler implements InvocationHandler {
         // 动态代理，通过函数名找到对应的 Hook 函数，完成 beforeCall、call、afterCall 的调用
		@Override
		public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
			Hook hook = getHook(method.getName());
			try {
				if (hook != null && hook.isEnable()) {
					if (hook.beforeCall(mBaseInterface, method, args)) {
						Object res = hook.call(mBaseInterface, method, args);
						res = hook.afterCall(mBaseInterface, method, args, res);
						return res;
					}
				}
				return method.invoke(mBaseInterface, args);
			} catch (InvocationTargetException e) {
				Throwable cause = e.getTargetException();
				if (cause != null) {
					throw cause;
				}
				throw e;
			}
		}
	}

}

对于 HookBinderDelegate 这个类，继承自 HookDelegate 扩展了 IBinder 接口，借此方便处理系统 Binder 服务的代理。

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public abstract class HookBinderDelegate extends HookDelegate<IInterface> implements IBinder {

	private IBinder mBaseBinder;
	public HookBinderDelegate(Class<?>... proxyInterfaces) {
		super(proxyInterfaces);
		init();
	}

	public HookBinderDelegate() {
		super();
		init();
	}

	private void init() {
		mBaseBinder = getBaseInterface() != null ? getBaseInterface().asBinder() : null;
		addHook(new AsBinder());
	}

    //此处通过反射替换系统服务
	public void replaceService(String name) {
		if (mBaseBinder != null) {
			ServiceManager.sCache.get().put(name, this);
		}
	}
    
    //这里Hook asBinder函数，使该函数调用后返回代理Binder对象。
	private final class AsBinder extends Hook {

		@Override
		public String getName() {
			return "asBinder";
		}

		@Override
		public Object call(Object who, Method method, Object... args) throws Throwable {
			return HookBinderDelegate.this;
		}
	}

	...

	public Context getContext() {
		return VirtualCore.get().getContext();
	}

	...

	@Override
	public IInterface queryLocalInterface(String descriptor) {
		return getProxyInterface();
	}

	...

	public IBinder getBaseBinder() {
		return mBaseBinder;
	}

}

接在在来看 PatchDelegate 这个抽象类，它是 Injectable 的接口实现，依赖 @Patch及 @ApiLimit 注解将 Hook 类的添加进 Hook 集合；它的泛型为 IHookObject ，这就意味着 HookDelegate HookBinderDelegate 的实现类很容易通过泛型约束，并通过 inject 接口完成注入。

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public abstract class PatchDelegate<T extends IHookObject> implements Injectable {

	protected T hookDelegate;

	protected Object baseObject;

	public PatchDelegate() {
		this(null);
	}

	public PatchDelegate(Object baseObject) {
		attachInterface(baseObject);
	}

	protected void attachInterface(Object baseObject) {
		this.baseObject = baseObject;
		this.hookDelegate = createHookDelegate();
		onBindHooks();
		afterHookApply(hookDelegate);
	}

	protected abstract T createHookDelegate();

	protected void onBindHooks() {
		if (hookDelegate == null) {
			return;
		}
         // 通过 @Patch、@ApiLimit 注解将 Hook 函数添加至代理类的 Hook 集合
		Class<? extends PatchDelegate> clazz = getClass();
		Patch patch = clazz.getAnnotation(Patch.class);
		int version = Build.VERSION.SDK_INT;
		if (patch != null) {
			Class<?>[] hookTypes = patch.value();
			for (Class<?> hookType : hookTypes) {
				ApiLimit apiLimit = hookType.getAnnotation(ApiLimit.class);
				boolean needToAddHook = true;
				if (apiLimit != null) {
					int apiStart = apiLimit.start();
					int apiEnd = apiLimit.end();
					boolean highThanStart = apiStart == -1 || version > apiStart;
					boolean lowThanEnd = apiEnd == -1 || version < apiEnd;
					if (!highThanStart || !lowThanEnd) {
						needToAddHook = false;
					}
				}
				if (needToAddHook) {
					addHook(hookType);
				}
			}

		}
	}

	private void addHook(Class<?> hookType) {
		try {
			Constructor<?> constructor = hookType.getDeclaredConstructors()[0];
			if (!constructor.isAccessible()) {
				constructor.setAccessible(true);
			}
			Hook hook;
			if (constructor.getParameterTypes().length == 0) {
				hook = (Hook) constructor.newInstance();
			} else {
				hook = (Hook) constructor.newInstance(this);
			}
			hookDelegate.addHook(hook);
		} catch (Throwable e) {
			throw new RuntimeException("Unable to instance Hook : " + hookType + " : " + e.getMessage());
		}
	}

	public Hook addHook(Hook hook) {
		return hookDelegate.addHook(hook);
	}

	protected void afterHookApply(T delegate) {
	}

	@Override
	public abstract void inject() throws Throwable;

	public Context getContext() {
		return VirtualCore.get().getContext();
	}

	public T getHookDelegate() {
		return hookDelegate;
	}
}

最后再来说说 PatchManager ，这个类顾名思义就知道是补丁的管理类，在这里将各个 Patch 完成注入。

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public final class PatchManager {

	private static final String TAG = PatchManager.class.getSimpleName();

	private Map<Class<?>, Injectable> injectTable = new HashMap<>(12);

	private PatchManager() {
	}

	public static PatchManager getInstance() {
		return PatchManagerHolder.sPatchManager;
	}

	void injectAll() throws Throwable {
		for (Injectable injectable : injectTable.values()) {
			injectable.inject();
		}
		// XXX: Lazy inject the Instrumentation,
		// It is important in many cases.
		addPatch(AppInstrumentation.getDefault());
	}

	public boolean isInit() {
		return PatchManagerHolder.sInit;
	}

	public void init() throws Throwable {
		if (PatchManagerHolder.sInit) {
			throw new IllegalStateException("PatchManager Has been initialized.");
		}
		injectInternal();
		PatchManagerHolder.sInit = true;

	}

	private void injectInternal() throws Throwable {
		if (VirtualCore.get().isMainProcess()) {
			return;
		}
		if (VirtualCore.get().isServerProcess()) {
			addPatch(new ActivityManagerPatch());
			addPatch(new PackageManagerPatch());
			return;
		}
		if (VirtualCore.get().isVAppProcess()) {
			addPatch(new LibCorePatch());
			addPatch(new ActivityManagerPatch());
			addPatch(new PackageManagerPatch());
             addPatch(HCallbackHook.getDefault());
             //以下省略诸多Path
			...
		}
	}

	private void addPatch(Injectable injectable) {
		injectTable.put(injectable.getClass(), injectable);
	}

	public <T extends Injectable> T findPatch(Class<T> clazz) {
		// noinspection unchecked
		return (T) injectTable.get(clazz);
	}

	public <T extends Injectable> void checkEnv(Class<T> clazz) {
		Injectable injectable = findPatch(clazz);
		if (injectable != null && injectable.isEnvBad()) {
			try {
				injectable.inject();
			} catch (Throwable e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	public <T extends Injectable, H extends IHookObject> H getHookObject(Class<T> patchClass) {
		T patch = findPatch(patchClass);
		if (patch != null && patch instanceof PatchDelegate) {
			// noinspection unchecked
			return (H) ((PatchDelegate) patch).getHookDelegate();
		}
		return null;
	}

	private static final class PatchManagerHolder {
		private static PatchManager sPatchManager = new PatchManager();
		private static boolean sInit;
	}

}

过程梳理

如果感觉以上内容不好理解的话，下面的这幅图，可能会缓解这种不适感。

va hook

以 AccountManagerService Hook 为例，①、② 两步将 AccountBinderDelegate 等 Binder 代理注入至 ServiceManager ，假设触发 ③ getService 获取 AccountManagerService 后，调用 ④ getPwd ，这时 ⑤ getPwd 将通过 HookHandler 动态代理调用到代理类 ⑥ getHook 查找到函数代理对象，然后 ⑦ invoke 完成 Hook 函数 即 getPassword 代理调用。

到这里，整个 Hook 框架大致上就说完了。当然诸多版本的 Rom（官方、第三方）适配还是一个庞大的工作量，这就体现了作者对整个 Android Framework 掌握的功力了，这里额外提一下，作者对于Framework 镜像的处理，也是相当的精妙，这也为整个 Hook 框架的代码可读性贡献了相当一部分的力量，详见项目的 mirror 包 。

最后的闲扯

在阅读源码以及优秀开源项目的时候，大多数人都会感到很难读的通，我的一个看法和切身体会是，就像你第一眼看到一个人，肯定感觉十分陌生，而相处过一段时间后，这种陌生感就会慢慢消失，进而你反而会很了解她，知道她的爱好，知道她喜欢吃什么。阅读源码也是这样，短时间内如果无法拿下，又很想理解它，那么就要多花些时间，去读，不断的读和理解，了解源码所涉及的知识，尝试去用自己的理解去揣摩作者的思路，这个期间你需要用适合自己学习的方式（比如画类图，流程图、时序图，只要这种方式对你是有效的不必拘泥于形式）去记录修正你的理解，不断的去逼近作者的想法和思路，这也是一个学习成长的过程。

道阻且长，行则将至。that’s all.