Native Hook 技术，天使还是魔鬼 _指令

Hook 的不同流派?
对于Hook 技术，比较常见的有 GOT/PLT Hook、Trap Hook 以及Hook，下面逐个讲解这些 Hook 技术的实现原理和优劣比较。
1. GOT/PLT Hook?
在-plus中，我们使用了 PLT Hook 技术来获取线程创建的堆栈。先来回顾一下它的整个流程，我们将 .so 中的外部函数替换成自己的方法。
你可以发现， GOT/PLT Hook 主要是用于替换某个 SO 的外部调用，通过将外部函数调用跳转成我们的目标函数。GOT/PLT Hook 可以说是一个非常经典的 Hook 方法，它非常稳定，可以达到部署到生产环境的标准。
那 GOT/PLT Hook 的实现原理究竟是什么呢？你需要先对 SO 库文件的 ELF 文件格式和动态链接过程有所了解。
ELF 格式?
ELF（）是可执行和链接格式，它是一个开放标准，各种 UNIX 系统的可执行文件大多采用 ELF 格式。虽然 ELF 文件本身就支持三种不同的类型（重定位、执行、共享），不同的视图下格式稍微不同，不过它有一个统一的结构，这个结构如下图所示。
网上介绍 ELF 格式的文章非常多，你可以参考《ELF 文件格式解析》。顾名思义，对于 GOT/PLT Hook 来说，我们主要关心“.plt”和“.got”这两个节区：
我们也可以使用 -S来查看 ELF 文件的具体信息。
链接过程?
接下来我们再来看看动态链接的过程，当需要使用一个库（.so 文件）的时候，我们需要调用(".so")来加载这个库。
在我们调用了(".so")之后，系统首先会检查缓存中已加载的 ELF 文件列表。如果未加载则执行加载过程，如果已加载则计数加一，忽略该调用。然后系统会用从 .so 的节区中读取其所依赖的库，按照相同的加载逻辑，把未在缓存中的库加入加载列表。
你可以使用下面这个命令来查看一个库的依赖：
readelf -d | grep NEEDED
下面我们大概了解一下系统是如何加载的 ELF 文件的。
但是这里有一个关键点，在 ELF 文件格式中我们只有函数的绝对地址。如果想在系统中运行，这里需要经过重定位。这其实是一个比较复杂的问题，因为不同机器的 CPU 架构、加载顺序不同，导致我们只能在运行时计算出这个值。不过还好动态加载器（//bin/）会帮助我们解决这个问题。
如果你理解了动态链接的过程，我们再回头来思考一下“.got”和“.plt”它们的具体含义。
PLT 和 GOT 记录是一一对应的，并且 GOT 表第一次解析后会包含调用函数的实际地址。既然这样，那 PLT 的意义究竟是什么呢？PLT 从某种意义上赋予我们一种懒加载的能力。当动态库首次被加载时，所有的函数地址并没有被解析。下面让我们结合图来具体分析一下首次函数调用，请注意图中黑色箭头为跳转，紫色为指针。
在解析前 GOT[n]会直接指向 jmp *GOT[n]的下一条指令。在解析完成后，我们就得到了 func 的实际地址，动态加载器会将这个地址填入 GOT[n] ，然后调用 func 。
如果对上面的这个调用流程还有疑问，你可以参考《GOT 表和 PLT 表》这篇文章，它里面有一张图非常清晰。
当第一次调用发生后，之后再调用函数 func 就高效简单很多。首先调用 PLT[n]，然后执行 jmp *GOT[n] 。GOT[n]直接指向 func ，这样就高效的完成了函数调用。
总结一下，因为很多函数可能在程序执行完时都不会被用到，比如错误处理函数或一些用户很少用到的功能模块等，那么一开始把所有函数都链接好实际就是一种浪费。为了提升动态链接的性能，我们可以使用 PLT 来实现延迟绑定的功能。
对于函数运行的实际地址，我们依然需要通过 GOT 表得到，整个简化过程如下：
看到这里，相信你已经有了如何 Hack 这一过程的初步想法。这里业界通常会根据修改 PLT 记录或者 GOT 记录区分为 GOT Hook 和 PLT Hook，但其本质原理十分接近。
GOT/PLT Hook 实践?
GOT/PLT Hook 看似简单，但是实现起来也是有一些坑的，需要考虑兼容性的情况。一般来说，推荐使用业界的成熟方案。
如果不想深入它内部的原理，我们只需要直接使用这些开源的优秀方案就可以了。因为这种 Hook 方式非常成熟稳定，除了 Hook 线程的创建，我们还有很多其他的使用范例。
这种 Hook 方法也不是万能的，因为它只能替换导入函数的方式。有时候我们不一定可以找到这样的外部调用函数。如果想 Hook 函数的内部调用，这个时候就需要用到我们的 Trap Hook 或者Hook 了。
2. Trap Hook?
对于函数内部的 Hook，你可以先从头想一下，会发现调试器就具备一切 Hook 框架具有的能力，可以在目标函数前断住程序，修改内存、程序段，继续执行。相信很多同学都会使用调试器，但是对调试器如何工作却知之甚少。下面让我们先了解一下软件调试器是如何工作的。
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一般软件调试器都是通过系统调用和配合来进行断点调试，首先我们来了解一下什么是，它又是如何断住程序运行，然后修改相关执行步骤的。
所谓合格的底层程序员，对于未知知识的了解，第一步就是使用man命令来查看系统文档。
The ()calla means by which one(the “”) mayandtheof(the “”), andandthe ’sand . It isused toandcall .
这段话直译过来就是，提供了一种让一个程序（）观察或者控制另一个程序（）执行流程，以及修改被控制程序内存和寄存器的方法，主要用于实现调试断点和系统调用跟踪。
我们再来简单了解一下调试器（GDB/LLDB）是如何使用的。首先调试器会基于要调试进程是否已启动，来决定是使用 fork 或者到目标进程。当调试器与目标程序绑定后，目标程序的任何（除）都会被调试器做先拦截，调试器会有机会对相关信号进行处理，然后再把执行权限交由目标程序继续执行。可以你已经想到了，这其实已经达到了 Hook 的目的。
如何 Hook?
但更进一步思考，如果我们不需要修改内存或者做类似调试器一样复杂的交互，我们完全可以不依赖，只需要接收相关即可。这时我们就想到了句柄（）。对！我们完全可以主动 raise ，然后使用来实现类似的 Hook 效果。
业界也有不少人将 Trap Hook 叫作断点 Hook ，它的原理就是在需要 Hook 的地方想办法触发断点，并捕获异常。一般我们会利用或者（非法指令异常）这两种信号。下面以信号为例，具体的实现步骤如下。
Trap Hook 实践?
Trap Hook 实践Trap Hook 兼容性非常好，它也可以在生产环境中大规模使用。但是它最大的问题是效率比较低，不适合 Hook 非常频繁调用的函数。
对于 Trap Hook 的实践方案，在“卡顿优化（下）”中，我提到过的，它就是通过定期发送信号来实现卡顿监控的。
3.Hook?
跟 Trap Hook 一样， Hook 也是函数内部调用的 Hook 。它直接将函数开始（）处的指令更替为跳转指令，使得原函数直接跳转到 Hook 的目标函数函数，并保留原函数的调用接口以完成后续再调用回来的目的。
与 GOT/PLT Hook 相比，Hook 可以不受 GOT/PLT 表的限制，几乎可以 Hook 任何函数。不过其实现十分复杂，我至今没有见过可以用在生产环境的实现。并且在 ARM 体系结构下，无法对叶子函数和很短的函数进行 Hook 。
在深入“邪恶的”细节前，我们需要先对Hook 的大体流程有一个简单的了解。
如图所示，Hook 的基本思路就是在已有的代码段中插入跳转指令，把代码的执行流程转向我们实现的 Hook 函数中，然后再进行指令修复，并跳转回原函数继续执行。这段描述看起来是不是十分简单而且清晰？
对于 Trap Hook，我们只需要在目标地址前插入特殊指令，并且在执行结束后把原始指令写回去就可以了。但是对Hook 来说，它是直接进行指令级的复写与修复。怎么理解呢？就相当于我们在运行过程中要去做 ASM 的字节码修改。
当然Hook 远远比 ASM 操作更加复杂，因为它还涉及不同 CPU 架构带来的指令集适配问题，我们需要根据不同指令集来分别进行指令复写与跳转。
下面我先来简单说明一下常见的 CPU 架构和指令集：
ARM64 目前我还没有适配，不过Play 要求所有应用在 2019 年 8 月 1 日之前需要支持 64 位，所以今年上半年也要折腾一下。但它们的原理基本类似，下面我以最主流的 ARMv7 架构为例，为你庖丁解牛Hook 。
ARM32 指令集?
ARMv7 中有一种广为流传的PC=??=PC+8的说法。这是指 ARMv7 中的三级流水线（取指、解码、执行），换句话说PC寄存器总是指向正在取指的指令，而不是指向正在执行的指令。取指总会比执行快2个指令，在ARM32指令集下2个指令的长度为8个字节，所以??寄存器总是指向正在取指的指令，而不是指向正在执行的指令。取指总会比执行快2个指令，在???32指令集下2个指令的长度为8个字节，所以PC寄存器的值总是比当前指令地址要大 8 。
是不是感觉有些复杂，其实这是为了引出 ARM 指令集的常用跳转方法：LDR PC, [PC, #-4] ;$
LDR PC, [PC, #-4] ;0xE51FF004$TRAMPOLIN_ADDR
在了解了三级流水线以后，就不会对这个 PC-4 有什么疑惑了。
按照我们前面描述的Hook 的基本步骤，首先插入跳转指令，跳入我们的蹦床（），执行我们实现的 Hook 后函数。这里还有一个“邪恶的”细节，由于指令执行是依赖当前运行环境的，即所有寄存器的值，而我们插入新的指令是有可能更改寄存器的状态的，所以我们要保存当前全部的寄存器状态到栈中，使用 BLX 指令跳转执行 Hook 后函数，执行完成后，再从栈中恢复所有的寄存器，最后才能像未 Hook 一样继续执行原先函数。
在执行完 Hook 后的函数后，我们需要跳转回原先的函数继续执行。这里不要忘记我们在一开始覆盖的 LDR 指令，我们需要先执行被我们复写的指令，然后再使用如下指令，继续执行原先函数。
LDR PC, [PC, #-4]HOOKED_ADDR+8
是不是有一种大功告成的感觉？其实这里还有一个巨大的坑在等着我们，那就是指令修复。前面我提到保存并恢复了寄存器原有的状态，已达到可以继续像原有程序一样的继续执行。但仅仅是恢复寄存器就足够么？显然答案是否定的，虽然寄存器被我们完美恢复了，但是 2 条备份的指令被移动到了新的地址。当执行它们的时候，PC寄存器的值是与原先不同的。这条指令的操作如果涉及??寄存器的值是与原先不同的。这条指令的操作如果涉及PC的值，那么它们将会执行出完全不同的结果。
到这里我就不对指令修复再深入解析了，感兴趣的同学可以在留言区进行讨论。
Hook 实践?
对于Hook，虽然它功能非常强大，而且执行效率也很高，但是业界目前还没有一套完全稳定可靠的开源方案。Hook 一般会使用在自动化测试或者线上疑难问题的定位，例如“UI 优化”中说到 .so 崩溃问题的定位，我们就是利用Hook 去收集系统信息。
业界也有一些不错的参考方案： -Cydia。在中，我们就使用它来 Hook 系统的内存分配函数。-adbi 。支付宝在GC 抑制中使用的 Hook 框架，不过已经好几年没有更新了。
各个流派的优缺点比较?
最后我们再来总结一下不同的 Hook 方式的优缺点：
GOT/PLT Hook 是一个比较中庸的方案，有较好的性能，中等的实现难度，但其只能 Hook 动态库之间的调用的函数，并且无法 Hook 未导出的私有函数，而且只存在安装与卸载 2 种状态，一旦安装就会 Hook 所有函数调用。
Trap Hook 最为稳定，但由于需要切换运行模式（R0/R3），且依赖内核的信号机制，导致性能很差。
Hook 是一个非常激进的方案，有很好的性能，并且也没有 PLT 作用域的限制，可以说是一个非常灵活、完美的方案。但其实现难度极高，我至今也没有看到可以部署在生产环境的Hook 方案，因为涉及指令修复，需要编译器的各种优化。
但是需要注意，无论是哪一种 Hook 都只能 Hook 到应用自身的进程，我们无法替换系统或其他应用进程的函数执行。
总结?
【Native Hook 技术，天使还是魔鬼】总的来说Hook 是一门非常底层的技术，它会涉及库文件编译、加载、链接等方方面面的知识，而且很多底层知识是与甚至移动平台无关的。在这一领域，做安全的同学可能会更有发言权，我来讲可能班门弄斧了。不过希望通过这篇文章，让你对看似黑科技的 Hook 有一个大体的了解，希望可以在自己的平时的工作中使用 Hook 来完成一些看似不可能的任务，比如修复系统 Bug、线上监控内存分配等。