Android P上非SDK接口限制的方法

一种绕过android p上非sdk接口限制的简单方法

众所周知，android p 引入了针对非 sdk 接口（俗称为隐藏api）的使用限制。这是继 android n上针对 ndk 中私有库的链接限制之后的又一次重大调整。从今以后，不论是native层的ndk还是 java层的sdk，我们只能使用google提供的、公开的标准接口。这对开发者以及用户乃至整个android生态，当然是一件好事。但这也同时意味着android上的各种黑科技有可能会逐渐走向消亡。

作为一个有追求的开发者，我们既要尊重并遵守规则，也要有能力在必要的时候突破规则的束缚，带着镣铐跳舞。那么今天就来探讨一下，如何突破android p上针对非sdk接口调用的限制。

是如何实现这个限制的？

知己知彼，百战不殆。既然我们想要突破这个限制，自然先得弄清楚，系统是如何给我们施加这个限制的。

文档中说，通过反射或者jni访问非公开接口时会触发警告/异常等，那么不妨跟踪一下反射的流程，看看系统到底在哪一步做的限制（以下的分析大可以走马观花的看一下，需要的时候自己再仔细看）。我们从 `java.lang.class.getdeclaredmethod(string)` 看起，这个方法在java层最终调用到了 `getdeclaredmethodinternal` 这个native方法，看一下这个方法的源码：

static jobject class_getdeclaredmethodinternal(jnienv* env, jobject javathis,
  jstring name, jobjectarray args) {
  scopedfastnativeobjectaccess soa(env);
  stackhandlescope<1> hs(soa.self());
  dcheck_eq(runtime::current()->getclasslinker()->getimagepointersize(), kruntimepointersize);
  dcheck(!runtime::current()->isactivetransaction());
  handle result = hs.newhandle(
mirror::class::getdeclaredmethodinternal(
 soa.self(),
 decodeclass(soa, javathis),
 soa.decode(name),
 soa.decode>(args)));
  if (result == nullptr || shouldblockaccesstomember(result->getartmethod(), soa.self())) {
 return nullptr;
  }
  return soa.addlocalreference(result.get());
}

注意到那个 **shouldblockaccesstomember** 调用了吗？如果它返回 true，那么直接返回`nullptr`，上层就会抛 `nosuchmethodxxx` 异常；也就触发系统的限制了。于是我们继续跟踪这个方法，这个方法的实现在java_lang_class.cc，源码如下：

always_inline static bool shouldblockaccesstomember(t* member, thread* self)
 requires_shared(locks::mutator_lock_) {
  hiddenapi::action action = hiddenapi::getmemberaction(
member, self, iscallertrusted, hiddenapi::kreflection);
  if (action != hiddenapi::kallow) {
 hiddenapi::notifyhiddenapilistener(member);
  }
  return action == hiddenapi::kdeny;
}

毫无疑问，我们应该继续看hidden_api.cc里面的 `getmemberaction`方法 ：

template
inline action getmemberaction(t* member,
thread* self,
std::function fn_caller_is_trusted,
accessmethod access_method)
 requires_shared(locks::mutator_lock_) {
  dcheck(member != nullptr);
  // decode hidden api access flags.
  // nb multiple threads might try to access (and overwrite) these simultaneously,
  // causing a race. we only do that if access has not been denied, so the race
  // cannot change java semantics. we should, however, decode the access flags
  // once and use it throughout this function, otherwise we may get inconsistent
  // results, e.g. print whitelist warnings (b/78327881).
  hiddenapiaccessflags::apilist api_list = member->gethiddenapiaccessflags();
  action action = getactionfromaccessflags(member->gethiddenapiaccessflags());
  if (action == kallow) {
 // nothing to do.
 return action;
  }
  // member is hidden. invoke `fn_caller_in_platform` and find the origin of the access.
  // this can be *very* expensive. save it for last.
  if (fn_caller_is_trusted(self)) {
 // caller is trusted. exit.
 return kallow;
  }
  // member is hidden and caller is not in the platform.
  return detail::getmemberactionimpl(member, api_list, action, access_method);
}

可以看到，关键来了。此方法有三个return语句，如果我们能干涉这几个语句的返回值，那么就能影响到系统对隐藏api的判断；进而欺骗系统，绕过限制。

## 应对之策

在分析这三个条件之前，我们再思考一下，在调用一个方法/获取一个成员的时候，除了反射(jni也算)就没有别的办法了吗？看起来系统只是把反射这条路堵死了，那如果我不走这条路呢？

首先，很显然，除了反射，我们还能直接调用。打个比方，我们要调用 activitythread.currentactivitythread()这个方法，除了使用反射；我们还可以把 android 源码中的 activitythread 这个类copy到我们的项目中，然后使用 provided 依赖，这样就能像系统一样直接调用了。至此，我们得到了第一个信息：public类的public方法，可以通过直接调用的方式访问；当然，private的就都不行了。

其次，我们要访问一个类的成员，除了直接访问，反射调用/jni就没有别的方法了吗？当然不是。如果你了解art的实现原理，知道对象布局，那么这个问题就太简单了。所有的java对象在内存中其实就是一个结构体，这份内存在 native 层和java层是对应的，因此如果我们拿到这份内存的头指针，**直接通过偏移量就能访问成员**。你问我方法怎么访问？art的对象模型采用的类似java的 klass-oop方式，方法是存储在 `java.lang.class`对象中的，它们是**class对象的成员**，因此访问方法最终就是访问成员。（后续我会专门介绍art的对象模型，解释 artmethod/java.lang.method/jmethodid之间的关系）。

思考完毕，我们会到反射调用的流程；仔细分析一下这三个条件。

### 第一个条件

先看第一个return语句，`getactionfromaccessflags`，看方法名貌似是根据 method/field 的 `access_flag` 来判断，具体看下代码：

inline action getactionfromaccessflags(hiddenapiaccessflags::apilist api_list) {
  if (api_list == hiddenapiaccessflags::kwhitelist) {
 return kallow;
  }
  enforcementpolicy policy = runtime::current()->gethiddenapienforcementpolicy();
  if (policy == enforcementpolicy::knochecks) {
 // exit early. nothing to enforce.
 return kallow;
  }
  // if policy is "just warn", always warn. we returned above for whitelist apis.
  if (policy == enforcementpolicy::kjustwarn) {
 return kallowbutwarn;
  }
  // 略。。。
}

首先，如果 method/field 是白名单，那么直接允许访问。我们再往前看，发现这个 `api_list` 其实是存储在 method/field 的 `access_flag`中的。

也就是说，所有的method/field的access_flag 中存储了hidden_api 的信息，如果有办法把这个flag直接设置为 kallow，那么系统就认为它不是隐藏api了。但是，如果要修改 method/field 的 `access_flag`这个成员变量，我们首先得拿到这个 method/field 的引用，然而 android p上就是限制了我们拿这个引用的过程，似乎死循环了；前面我们提到可以通过偏移量的方式修改，但实际上这个场景还有别限制（比如压根拿不到class对象）；因此这个条件看似可以达到，实际上比较麻烦，于是我们暂且放下。

继续观察这个方法，接下来 调用了 `gethiddenapienforcementpolicy` 方法获取限制策略，如果是 `knochecks` 直接允许；那 gethiddenapienforcementpolicy 这个方法是啥样呢？在runtime.h中，如下：

hiddenapi::enforcementpolicy gethiddenapienforcementpolicy() const {
 return hidden_api_policy_;
}

也就是说，返回的是 runtime 这个对象的一个成员。**如果我们直接修改内存，把这个成员设置为 knochecks**，那么不就达到目标了吗？

#### 获取runtime指针

既然需要修改runtime对象的内存，那么首先得拿到runtime对象的指针。本来这个过程需要去分析 art runtime的启动过程，但如果完全写出来那就又是几篇文章了；这里直接给出结论：

在jni中，我们可以通过 jnienv指针拿到 javavm指针，这个javavm指针实际上是一个 `javavmext`对象，runtime是 javavmext结构体的成员。说起来比较绕，实际上你看看代码就明白了：

javavm *javavm;
env->getjavavm(&javavm);
javavmext *javavmext = (javavmext *) javavm;
void *runtime = javavmext->runtime;

感兴趣的可以自己去分析为什么可以这么做。

#### 搜索内存

我们已经拿到了 runtime指针，也就是这个对象的起始位置；如果要修改对象的成员，必须要知道偏移量。如何知道这个偏移量呢？直接硬编码写死也是可行的，但是一旦厂商做一点修改，那就完蛋了；你程序的结果就没法预期。因此，我们采用一种**动态搜索**的办法。

runtime是一个很大的结构体，里面的成员不计其数；如果我们要精准定位里面的某一个成员，需要找一些参照物；然后通过这些参照物进一步定位。我们先来观察一下这个结构体：

struct runtime {
	// 64 bit so that we can share the same asm offsets for both 32 and 64 bits.
	uint64_t callee_save_methods_[kcalleesavesize];
	// pre-allocated exceptions (see runtime::init).
	gcroot pre_allocated_outofmemoryerror_when_throwing_exception_;
	gcroot pre_allocated_outofmemoryerror_when_throwing_oome_;
	gcroot pre_allocated_outofmemoryerror_when_handling_stack_overflow_;
	gcroot pre_allocated_noclassdeffounderror_;

	// ... （省略大量成员)

	std::unique_ptr java_vm_;

	// ... （省略大量成员)

	// specifies target sdk version to allow workarounds for certain api levels.
  	int32_t target_sdk_version_;

  	// ... （省略大量成员)

		  bool is_low_memory_mode_;
	// whether or not we use madv_random on files that are thought to have random access patterns.
	// this is beneficial for low ram devices since it reduces page cache thrashing.
	bool madvise_random_access_;
	// whether the application should run in safe mode, that is, interpreter only.
	bool safe_mode_;

	// ... （省略大量成员)
}

这个结构体非常大，可以直接去看源码runtime.h，上面我们挑出了一些我们能够使用的参照物，辅助进行内存定位：

java_vm_ ：我们很熟悉的javavm对象，上面我们已经通过 jnienv 获取了，是个已知值。
target_sdk_version: 这个是我们app的 targetsdkversion，我们可以提前知道。
safe_mode：safe_mode 是 androidmanifest 中的配置，已知值。

因此结合这三个条件，我们对runtime指针执行线性搜索，首先找到 javavm指针，然后找到target_sdk_version，最后直达目标；顺便用 safe_mode, java_debuggable 等成员验证正确性。

找到目标 `hidden_api_policy_`之后，直接修改内存，就能达到目的。用伪代码表示就是：

int unseal(jnienv *env, jint targetsdkversion) {

 javavm *javavm;
 env->getjavavm(&javavm);
 javavmext *javavmext = (javavmext *) javavm;
 void *runtime = javavmext->runtime;

 const int max = 1000;
 int offsetofvmext = findoffset(runtime, 0, max, (size_t) javavmext);
 int targetsdkversionoffset = findoffset(runtime, offsetofvmext, max, targetsdkversion);
 partialruntime *partialruntime = (partialruntime *) ((char *) runtime + targetsdkversionoffset);
 enforcementpolicy policy = partialruntime->hidden_api_policy_;
 partialruntime->hidden_api_policy_ = enforcementpolicy::knochecks;

 return 0;
}

使用起来非常简单，添加依赖；一行代码调用即可。觉得好用别忘了 star 哦～

看起来我们已经达到目标了，但是不要急；还有2个条件呢，我们继续，说不定有新发现。

### 第二个条件

然后看第二个return语句，`fn_caller_is_trusted`，这里面的代码我就不分析了，直接给结论：这个方法通过回溯调用栈，通过调用者的class来判断是否是系统代码的调用（所有系统的代码都通过bootclassloader加载，判断classloader即可），如果是系统代码，那么就允许调用（系统自己的api肯定得让它调）。这里我们又发现一个判断条件：`caller.classloader == bootclassloader`。因此，如果能把这个调用类的classloader修改为 bootclassloader，那么问题不就解决了吗？

那么问题来了，如何修改class的classloader？我们看看class 类的结构：

public final class class implements java.io.serializable,
genericdeclaration,
type,
annotatedelement {

 /** defining class loader, or null for the "bootstrap" system loader. */
 private transient classloader classloader;
 
 // 略 
}

classloader实际上是class类的第一个成员，而这个`java.lang.class`我们肯定是能拿到的，因此我们可以通过上面提到的**修改偏移的方式直接修改classloader**，进而绕过限制。

但是需要注意一下这个偏移量。虽然 class 声明没有继承任何东西，但实际上它继承自 object。我们看下 `java.lang.object`：

public class object {

 private transient class shadow$_klass_;
 private transient int shadow$_monitor_;
 
}

因此，class对象在内存中实际上是这样：

struct class {
 class shadow$_klass_;
 int shadow$_monitor_;
 classloader classloader;
}

jvm规范中，一个int占4字节；在art实现中，一个java对象的引用占用4字节（不论是32位还是64位），因此 **classloader的偏移量为8**；我们拿到调用者的class对象，在jni层拿到对象的内存表示，直接把偏移量为8处置空（bootclassloader在为null）即可。当然，如果你不想用jni，unsafe也能满足这个需求。

看起来我们已经有好几种办法达到目的了，别着急；我们继续看第三个条件。

### 第三个条件

当代码流程走到这里，那个action已经不可能是 kallow了；不要放弃治疗，说不定还有救。观察代码：

if (shouldwarn || action == kdeny) {
 if (member_signature.isexempted(runtime->gethiddenapiexemptions())) {
action = kallow;
// avoid re-examining the exemption list next time.
// note this results in no warning for the member, which seems like what one would expect.
// exemptions effectively adds new members to the whitelist.
maybewhitelistmember(runtime, member);
return kallow;
 }
 // 略 
}

果然有“豁免”条件：gethiddenapiexemptions()。跟踪这个方法之后，你会发现解决办法跟上面两种是一样的。要么去修改 runtime 的内存，要么修改signature；我就不赘述啦。

### 剑走偏锋

上面我们分析了系统的源代码，结合各种条件来实现绕过对非sdk api调用的检测；但实际上所有这些方式我们的目的都是一样的—— **通过某种方式修改函数的执行流程**；而达到这个目标最直接的方法就是 **inline hook**！！由于inline hook太强大，你只需要找到一个关键的执行流程，hook其中的某个函数，修改他的返回值就ok了。

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