Android FART脱壳机流程分析
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0x1 前言
在Android平台上，程序员编写的Java代码最终将被编译成字节码在Android虚拟机上运行。自从Android进入大众的视野后，apktool,jadx等反编译工具也层出不穷，功能也越来越强大，由Java编译成的字节码在这些反编译工具面前变得不堪一击，这相当于一个人裸奔在茫茫人海，身体的各个部位被众人一览无余。一种事物的出现，也会有与之对立的事物出现。有反编译工具的出现，当然也会有反反编译工具的出现，这种技术一般我们加固技术。APP经过加固，就相当于给那个裸奔的人穿了衣服，“衣服”在一定程度上保护了APP，使APP没那么容易被反编译。当然，有加固技术的出现，也会有反加固技术的出现，即本文要分析的脱壳技术。
Android经过多个版本的更迭，它无论在外观还是内在都有许多改变，早期的Android使用的是dalvik虚拟机，Android4.4开始加入ART虚拟机，但不默认启用。从Android5.0开始，ART取代dalvik，成为默认虚拟机。由于dalvik和ART运行机制的不同，在它们内部脱壳原理也不太相同，本文分析的是ART下的脱壳方案：FART。它的整体思路是通过主动调用的方式来实现脱壳，项目地址：https://github.com/hanbinglengyue/FART 。FART的代码是通过修改少量Android源码文件而成的，经过修改的Android源码编译成系统镜像，刷入手机，这样的手机启动后，就成为一台可以用于脱壳的脱壳机。
0x2 流程分析
FART的入口在frameworks\base\core\java\android\app\ActivityThread.java的performLaunchActivity函数中，即APP的Activity启动的时候执行fartthread
private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
Log.e("ActivityThread","go into performLaunchActivity");
ActivityInfo aInfo = r.activityInfo;
if (r.packageInfo == null) {
r.packageInfo = getPackageInfo(aInfo.applicationInfo, r.compatInfo,
Context.CONTEXT_INCLUDE_CODE);
}
......
//开启fart线程
fartthread();
......
}
fartthread函数开启一个线程，休眠一分钟后调用fart函数
public static void fartthread() {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Log.e("ActivityThread", "start sleep,wait for fartthread start......");
Thread.sleep(1 * 60 * 1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Log.e("ActivityThread", "sleep over and start fartthread");
fart();
Log.e("ActivityThread", "fart run over");
}
}).start();
}
fart函数中，获取Classloader,反射获取一些类。反射调用dalvik.system.DexPathList的dexElements字段得到dalvik.system.DexPathList$Element类对象数组，Element类存储着dex的路径等信息。接下来通过遍历dexElements，得到每一个Element对象中的DexFile对象，再获取DexFile对象中的mCookie字段值，调用DexFile类中的String[] getClassNameList(Object cookie)函数并传入获取到mCookie，以得到dex文件中所有的类名。随后，遍历dex中的所有类名，传入loadClassAndInvoke函数。
public static void fart() {
ClassLoader appClassloader = getClassloader();
List<Object> dexFilesArray = new ArrayList<Object>();
Field pathList_Field = (Field) getClassField(appClassloader, "dalvik.system.BaseDexClassLoader", "pathList");
Object pathList_object = getFieldOjbect("dalvik.system.BaseDexClassLoader", appClassloader, "pathList");
Object[] ElementsArray = (Object[]) getFieldOjbect("dalvik.system.DexPathList", pathList_object, "dexElements");
Field dexFile_fileField = null;
try {
dexFile_fileField = (Field) getClassField(appClassloader, "dalvik.system.DexPathList$Element", "dexFile");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
Class DexFileClazz = null;
try {
DexFileClazz = appClassloader.loadClass("dalvik.system.DexFile");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
Method getClassNameList_method = null;
Method defineClass_method = null;
Method dumpDexFile_method = null;
Method dumpMethodCode_method = null;
for (Method field : DexFileClazz.getDeclaredMethods()) {
if (field.getName().equals("getClassNameList")) {
getClassNameList_method = field;
getClassNameList_method.setAccessible(true);
}
if (field.getName().equals("defineClassNative")) {
defineClass_method = field;
defineClass_method.setAccessible(true);
}
if (field.getName().equals("dumpMethodCode")) {
dumpMethodCode_method = field;
dumpMethodCode_method.setAccessible(true);
}
}
Field mCookiefield = getClassField(appClassloader, "dalvik.system.DexFile", "mCookie");
for (int j = 0; j < ElementsArray.length; j++) {
Object element = ElementsArray[j];
Object dexfile = null;
try {
dexfile = (Object) dexFile_fileField.get(element);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
if (dexfile == null) {
continue;
}
if (dexfile != null) {
dexFilesArray.add(dexfile);
Object mcookie = getClassFieldObject(appClassloader, "dalvik.system.DexFile", dexfile, "mCookie");
if (mcookie == null) {
continue;
}
String[] classnames = null;
try {
classnames = (String[]) getClassNameList_method.invoke(dexfile, mcookie);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
continue;
} catch (Error e) {
e.printStackTrace();
continue;
}
if (classnames != null) {
for (String eachclassname : classnames) {
loadClassAndInvoke(appClassloader, eachclassname, dumpMethodCode_method);
}
}
}
}
return;
}
loadClassAndInvoke除了传入上面提到的类名，还传入ClassLoader对象和dumpMethodCode函数的Method对象，看上面的代码可以知道，dumpMethodCode函数来自DexFile,原本的DexFile类没有这个函数，是FART加上去的。dumpMethodCode究竟做了什么我们待会再来看，先把loadClassAndInvoke函数看完。loadClassAndInvoke工作也很简单，根据传入的类名来加载类，再从加载的类获取它的所有的构造函数和函数，然后调用dumpMethodCode，传入Constructor对象或者Method对象
public static void loadClassAndInvoke(ClassLoader appClassloader, String eachclassname, Method dumpMethodCode_method) {
Log.i("ActivityThread", "go into loadClassAndInvoke->" + "classname:" + eachclassname);
Class resultclass = null;
try {
resultclass = appClassloader.loadClass(eachclassname);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return;
} catch (Error e) {
e.printStackTrace();
return;
}
if (resultclass != null) {
try {
Constructor<?> cons[] = resultclass.getDeclaredConstructors();
for (Constructor<?> constructor : cons) {
if (dumpMethodCode_method != null) {
try {
dumpMethodCode_method.invoke(null, constructor);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
continue;
} catch (Error e) {
e.printStackTrace();
continue;
}
} else {
Log.e("ActivityThread", "dumpMethodCode_method is null ");
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} catch (Error e) {
e.printStackTrace();
}
try {
Method[] methods = resultclass.getDeclaredMethods();
if (methods != null) {
for (Method m : methods) {
if (dumpMethodCode_method != null) {
try {
dumpMethodCode_method.invoke(null, m);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
continue;
} catch (Error e) {
e.printStackTrace();
continue;
}
} else {
Log.e("ActivityThread", "dumpMethodCode_method is null ");
}
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} catch (Error e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
上面提到dumpMethodCode函数在DexFile类中，DexFile的完整路径为：libcore\dalvik\src\main\java\dalvik\system\DexFile.java,它是这么定义的：
private static native void dumpMethodCode(Object m);
可见，它是一个native方法，它的实际代码在：art\runtime\native\dalvik_system_DexFile.cc，代码为：
static void DexFile_dumpMethodCode(JNIEnv* env, jclass,jobject method) {
ScopedFastNativeObjectAccess soa(env);
if(method!=nullptr)
{
ArtMethod* artmethod = ArtMethod::FromReflectedMethod(soa, method);
myfartInvoke(artmethod);
}
return;
}
DexFile_dumpMethodCode函数中，method是loadClassAndInvoke函数传过来的java.lang.reflect.Method对象，传进来的Java层Method对象传入FromReflectedMethod函数得到ArtMethod结构指针，再将ArtMethod结构指针传入myfartInvoke函数。
myfartInvoke实际代码在art/runtime/art_method.cc文件里
extern "C" void myfartInvoke(ArtMethod * artmethod)
SHARED_LOCKS_REQUIRED(Locks::mutator_lock_) {
JValue *result = nullptr;
Thread *self = nullptr;
uint32_t temp = 6;
uint32_t *args = &temp;
uint32_t args_size = 6;
artmethod->Invoke(self, args, args_size, result, "fart");
}
在myfartInvoke函数中，值得关注的是self被设置为空指针，并传入ArtMethod的Invoke函数。
Invoke函数也是在art/runtime/art_method.cc文件里，在Invoke函数开头，它对self参数做了个判断，如果self为空，说明Invoke函数是被FART所调用的，反之则是系统本身的调用。self为空的时候，调用dumpArtMethod函数，并立即返回
void ArtMethod::Invoke(Thread * self, uint32_t * args,
uint32_t args_size, JValue * result,
const char *shorty) {
if (self == nullptr) {
dumpArtMethod(this);
return;
}
......
}
dumpArtMethod函数这里就到了dump dex的代码了。
extern "C" void dumpArtMethod(ArtMethod * artmethod)
SHARED_LOCKS_REQUIRED(Locks::mutator_lock_) {
char *dexfilepath = (char *) malloc(sizeof(char) * 2000);
if (dexfilepath == nullptr) {
LOG(INFO) <<
"ArtMethod::dumpArtMethodinvoked,methodname:"
<< PrettyMethod(artmethod).
c_str() << "malloc 2000 byte failed";
return;
}
int fcmdline = -1;
char szCmdline[64] = { 0 };
char szProcName[256] = { 0 };
int procid = getpid();
sprintf(szCmdline, "/proc/%d/cmdline", procid);
fcmdline = open(szCmdline, O_RDONLY, 0644);
if (fcmdline > 0) {
read(fcmdline, szProcName, 256);
close(fcmdline);
}
if (szProcName[0]) {
const DexFile *dex_file = artmethod->GetDexFile();
const char *methodname =
PrettyMethod(artmethod).c_str();
const uint8_t *begin_ = dex_file->Begin();
size_t size_ = dex_file->Size();
memset(dexfilepath, 0, 2000);
int size_int_ = (int) size_;
memset(dexfilepath, 0, 2000);
sprintf(dexfilepath, "%s", "/sdcard/fart");
mkdir(dexfilepath, 0777);
memset(dexfilepath, 0, 2000);
sprintf(dexfilepath, "/sdcard/fart/%s",
szProcName);
mkdir(dexfilepath, 0777);
memset(dexfilepath, 0, 2000);
sprintf(dexfilepath,
"/sdcard/fart/%s/%d_dexfile.dex",
szProcName, size_int_);
int dexfilefp = open(dexfilepath, O_RDONLY, 0666);
if (dexfilefp > 0) {
close(dexfilefp);
dexfilefp = 0;
} else {
dexfilefp =
open(dexfilepath, O_CREAT | O_RDWR,
0666);
if (dexfilefp > 0) {
write(dexfilefp, (void *) begin_,
size_);
fsync(dexfilefp);
close(dexfilefp);
}
}
//下半部分开始
const DexFile::CodeItem * code_item =
artmethod->GetCodeItem(); // (1)
if (LIKELY(code_item != nullptr)) {
int code_item_len = 0;
uint8_t *item = (uint8_t *) code_item;
if (code_item->tries_size_ > 0) { // (2)
const uint8_t *handler_data = (const uint8_t *) (DexFile::GetTryItems(*code_item,code_item->tries_size_));
uint8_t *tail = codeitem_end(&handler_data);
code_item_len = (int)(tail - item);
} else {
code_item_len =
16 +
code_item->
insns_size_in_code_units_ * 2;
}
memset(dexfilepath, 0, 2000);
int size_int = (int) dex_file->Size(); // Length of data
uint32_t method_idx =
artmethod->get_method_idx();
sprintf(dexfilepath,
"/sdcard/fart/%s/%d_%ld.bin",
szProcName, size_int, gettidv1());
int fp2 =
open(dexfilepath,
O_CREAT | O_APPEND | O_RDWR,
0666);
if (fp2 > 0) {
lseek(fp2, 0, SEEK_END);
memset(dexfilepath, 0, 2000);
int offset = (int) (item - begin_);
sprintf(dexfilepath,
"{name:%s,method_idx:%d,offset:%d,code_item_len:%d,ins:",
methodname, method_idx,
offset, code_item_len);
int contentlength = 0;
while (dexfilepath[contentlength]
!= 0)
contentlength++;
write(fp2, (void *) dexfilepath,
contentlength);
long outlen = 0;
char *base64result =
base64_encode((char *) item,
(long)
code_item_len,
&outlen);
write(fp2, base64result, outlen);
write(fp2, "};", 2);
fsync(fp2);
close(fp2);
if (base64result != nullptr) {
free(base64result);
base64result = nullptr;
}
}
}
}
if (dexfilepath != nullptr) {
free(dexfilepath);
dexfilepath = nullptr;
}
}
dumpArtMethod函数开始先通过/proc/<pid>/cmdline虚拟文件读取进程pid对应的进程名，根据得到的进程名在sdcard下创建目录，所以在脱壳之前要给APP写入外部存储的权限。之后通过ArtMethod的GetDexFile函数得到DexFile指针，即ArtMethod所在的dex的指针，再从DexFile的Begin函数和Size函数得到dex文件在内存中起始的地址和dex文件的大小，接着用write函数把内存中的dex写到文件名以_dexfile.dex的文件中。
但该函数还没完，dumpArtMethod函数的下半部分，对函数的CodeItem进行dump。可能有些人就有疑问了，函数的上半部分不是把dex给dump了吗，为什么还需要取函数的CodeItem进行dump呢？对于某些壳，dumpArtMethod的上半部分已经能对dex进行整体dump,但是对于部分抽取壳，dex即使被dump下来，函数体还是以nop填充，即空函数体，FART还把函数的CodeItem给dump下来是让用户手动来修复这些dump下来的空函数。
我们来看dumpArtMethod函数的下半部分，这里将会涉及dex文件的结构，如果不了解请结合文档来看。注释(1)处，从ArtMethod中得到一个CodeItem。注释(2)处，根据CodeItem的tries_size_，即try_item的数量来计算CodeItem的大小：
(1)如果tries_size_不为0，说明这个CodeItem有try_item，那么去把CodeItem的结尾地址给算出来
const uint8_t *handler_data = (const uint8_t *) (DexFile::GetTryItems(*code_item,code_item->tries_size_));
uint8_t *tail = codeitem_end(&handler_data);
code_item_len = (int)(tail - item);
codeitem_end函数怎么算出CodeItem的结束地址呢？
GetTryItems第二参数传入tries_size_，即跳过所有的try_item，得到encoded_catch_handler_list的地址，然后传入codeitem_end函数
uint8_t *codeitem_end(const uint8_t ** pData) {
uint32_t num_of_list = DecodeUnsignedLeb128(pData);
for (; num_of_list > 0; num_of_list--) {
int32_t num_of_handlers =
DecodeSignedLeb128(pData);
int num = num_of_handlers;
if (num_of_handlers <= 0) {
num = -num_of_handlers;
}
for (; num > 0; num--) {
DecodeUnsignedLeb128(pData);
DecodeUnsignedLeb128(pData);
}
if (num_of_handlers <= 0) {
DecodeUnsignedLeb128(pData);
}
}
return (uint8_t *) (*pData);
}
codeitem_end函数的开头读取encoded_catch_handler_list结构中包含多少个encoded_catch_handler结构，如果不为0，遍历所有encoded_catch_handler结构，读取encoded_catch_handler结构中有多少encoded_type_addr_pair结构，有的话全部跳过，即跳过了整个encoded_catch_handler_list结构。最后函数返回的pData即为CodeItem的结尾地址。
得到了CodeItem结尾地址，用CodeItem结尾的地址减去CodeItem的起始地址得到CodeItem的真实大小。
(2)如果tries_size_为0，那么就没有try_item，直接就能把CodeItem的大小计算出来：
code_item_len = 16 + code_item->insns_size_in_code_units_ * 2;
CodeItem的大小计算出来之后，接下来可以看到，有几个变量以格式化的方式打印到dexfilepath
sprintf(dexfilepath,
"{name:%s,method_idx:%d,offset:%d,code_item_len:%d,ins:",
methodname,
method_idx,
offset,
code_item_len
);
- name 函数的名称
- method_idx 来源FART新增的函数：
uint32_t get_method_idx(){ return dex_method_index_; },函数返回dex_method_index_，dex_method_index_是函数在method_ids中的索引 - offset 是该函数的CodeItem相对于dex文件开始的偏移
- code_item_len CodeItem的长度
数据组装好之后，写入到以.bin为后缀的文件中：
write(fp2, (void *) dexfilepath,
contentlength);
long outlen = 0;
char *base64result =
base64_encode((char *) item,
(long)
code_item_len,
&outlen);
write(fp2, base64result, outlen);
write(fp2, "};", 2);
对于上面的dexfilepath，它们是明文字符，直接写入即可。而对于CodeItem中的bytecode这种非明文字符，直接写入不太好看，所以FART选择对它们进行base64编码后再写入。
分析到这里好像已经结束了，从主动调用，到dex整体dump，再到函数CodeItem的dump，都已经分析了。但是FART中确实还有一部分逻辑是没有分析的。如果你使用过FART来脱过壳，会发现它dump下来的dex中还有以_execute.dex结尾的dex文件。这种dex是怎么生成的呢？
这一部分的代码也是在art\runtime\art_method.cc文件中
extern "C" void dumpDexFileByExecute(ArtMethod * artmethod)
SHARED_LOCKS_REQUIRED(Locks::mutator_lock_) {
char *dexfilepath = (char *) malloc(sizeof(char) * 2000);
if (dexfilepath == nullptr) {
LOG(INFO) <<
"ArtMethod::dumpDexFileByExecute,methodname:"
<< PrettyMethod(artmethod).
c_str() << "malloc 2000 byte failed";
return;
}
int fcmdline = -1;
char szCmdline[64] = { 0 };
char szProcName[256] = { 0 };
int procid = getpid();
sprintf(szCmdline, "/proc/%d/cmdline", procid);
fcmdline = open(szCmdline, O_RDONLY, 0644);
if (fcmdline > 0) {
read(fcmdline, szProcName, 256);
close(fcmdline);
}
if (szProcName[0]) {
const DexFile *dex_file = artmethod->GetDexFile();
const uint8_t *begin_ = dex_file->Begin(); // Start of data.
size_t size_ = dex_file->Size(); // Length of data.
memset(dexfilepath, 0, 2000);
int size_int_ = (int) size_;
memset(dexfilepath, 0, 2000);
sprintf(dexfilepath, "%s", "/sdcard/fart");
mkdir(dexfilepath, 0777);
memset(dexfilepath, 0, 2000);
sprintf(dexfilepath, "/sdcard/fart/%s",
szProcName);
mkdir(dexfilepath, 0777);
memset(dexfilepath, 0, 2000);
sprintf(dexfilepath,
"/sdcard/fart/%s/%d_dexfile_execute.dex",
szProcName, size_int_);
int dexfilefp = open(dexfilepath, O_RDONLY, 0666);
if (dexfilefp > 0) {
close(dexfilefp);
dexfilefp = 0;
} else {
dexfilefp =
open(dexfilepath, O_CREAT | O_RDWR,
0666);
if (dexfilefp > 0) {
write(dexfilefp, (void *) begin_,
size_);
fsync(dexfilefp);
close(dexfilefp);
}
}
}
if (dexfilepath != nullptr) {
free(dexfilepath);
dexfilepath = nullptr;
}
}
可以看到，dumpDexFileByExecute函数有点像dumpArtMethod函数的上半部分，即对dex文件的整体dump。那么，dumpDexFileByExecute在哪里被调用呢？
通过搜索，在art\runtime\interpreter\interpreter.cc文件的开始，看到了FART在art命名空间下定义了一个dumpDexFileByExecute函数
namespace art {
extern "C" void dumpDexFileByExecute(ArtMethod* artmethod);
namespace interpreter {
......
}
}
同时在文件其中找到了对dumpDexFileByExecute函数的调用：
static inline JValue Execute(Thread* self, const DexFile::CodeItem* code_item,
ShadowFrame& shadow_frame, JValue result_register) {
if(strstr(PrettyMethod(shadow_frame.GetMethod()).c_str(),"<clinit>")!=nullptr)
{
dumpDexFileByExecute(shadow_frame.GetMethod());
}
......
}
在Execute函数中，通过判断函数名称中是否为<clinit>决定要不要调用dumpDexFileByExecute，即判断传入的是否为静态代码块，对于加了壳的App来说静态代码块是肯定存在的。如果Execute传入的是静态代码块则调用dumpDexFileByExecute函数，并传入一个ArtMethod指针。
dumpDexFileByExecute中对dex进行了整体dump，可以把它看作是dumpArtMethod方式的互补，有时dumpArtMethod中得不到想得到的dex,用dumpDexFileByExecute或许能得到惊喜。
0x3 结语
非常感谢FART作者能够开源FART，这使得人们对抗ART环境下App壳得到了良好的思路。FART脱壳机理论上来讲能脱大多数壳，但是仍有例外，需要自行摸索。
0x4 参考
- https://bbs.pediy.com/thread-252630.htm
- https://source.android.google.cn/devices/tech/dalvik/dex-format
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