Android 插件化原理解析——Hook機制之AMS&PMS

在前面的文章中我們介紹了DroidPlugin的Hook機制，也就是代理方式和Binder Hook；插件框架通過AOP實現了插件使用和開發的透明性。在講述DroidPlugin如何實現四大組件的插件化之前，有必要說明一下它對ActivityManagerServiche以及PackageManagerService的Hook方式（以下簡稱AMS，PMS）。

ActivityManagerService對於FrameWork層的重要性不言而喻，Android的四大組件無一不與它打交道：

1. startActivity最終調用了AMS的startActivity系列方法，實現了Activity的啟動；Activity的生命周期回調，也在AMS中完成；
2. startService,bindService最終調用到AMS的startService和bindService方法；
3. 動態廣播的注冊和接收在AMS中完成（靜態廣播在PMS中完成）
4. getContentResolver最終從AMS的getContentProvider獲取到ContentProvider

而PMS則完成了諸如權限校撿(checkPermission,checkUidPermission)，Apk meta信息獲取(getApplicationInfo等)，四大組件信息獲取(query系列方法)等重要功能。

在上文Android插件化原理解析——Hook機制之Binder Hook中講述了DroidPlugin的Binder Hook機制；我們知道AMS和PMS就是以Binder方式提供給應用程序使用的系統服務，理論上我們也可以采用這種方式Hook掉它們。但是由於這兩者使用得如此頻繁，Framework給他們了一些“特別優待”，這也給了我們相對於Binder Hook更加穩定可靠的hook方式。

閱讀本文之前，可以先clone一份 understand-plugin-framework，參考此項目的ams-pms-hook模塊。另外，插件框架原理解析系列文章見索引。

AMS獲取過程

前文提到Android的四大組件無一不與AMS相關，也許讀者還有些許疑惑；這里我就挑一個例子，依據Android源碼來說明，一個簡單的startActivity是如何調用AMS最終通過IPC到system_server的。

不論讀者是否知道，我們使用startActivity有兩種形式：

1. 直接調用Context類的startActivity方法；這種方式啟動的Activity沒有Activity棧，因此不能以standard方式啟動，必須加上FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK這個Flag。
2. 調用被Activity類重載過的startActivity方法，通常在我們的Activity中直接調用這個方法就是這種形式；

Context.startActivity

我們查看Context類的startActivity方法，發現這竟然是一個抽象類；查看Context的類繼承關系圖如下：

我們看到諸如Activity，Service等並沒有直接繼承Context，而是繼承了ContextWrapper；繼續查看ContextWrapper的實現：

1 2 3 4

@Override public void startActivity(Intent intent) { mBase.startActivity(intent); }

WTF!! 果然人如其名，只是一個wrapper而已；這個mBase是什么呢？這里我先直接告訴你，它的真正實現是ContextImpl類；至於為什么，有一條思路：mBase是在ContextWrapper構造的時候傳遞進來的，那么在ContextWrapper構造的時候可以找到答案
什么時候會構造ContextWrapper呢？它的子類Application，Service等被創建的時候。

可以在App的主線程AcitivityThread的performLaunchActivit方法里面找到答案；更詳細的解析可以參考老羅的 Android應用程序啟動過程源代碼分析

好了，我們姑且當作已經知道Context.startActivity最終使用了ContextImpl里面的方法，代碼如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

public void startActivity(Intent intent, Bundle options) { warnIfCallingFromSystemProcess(); if ((intent.getFlags()&Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK) == 0) { throw new AndroidRuntimeException( "Calling startActivity() from outside of an Activity " + " context requires the FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK flag." + " Is this really what you want?"); } mMainThread.getInstrumentation().execStartActivity( getOuterContext(), mMainThread.getApplicationThread(), null, (Activity)null, intent, -1, options); }

代碼相當簡單；我們知道了兩件事：

1. 其一，我們知道了在Service等非Activity的Context里面啟動Activity為什么需要添加FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK；
2. 其二，真正的startActivity使用了Instrumentation類的execStartActivity方法；繼續跟蹤：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

public ActivityResult execStartActivity( Context who, IBinder contextThread, IBinder token, Activity target, Intent intent, int requestCode, Bundle options) { // ... 省略無關代碼 try { intent.migrateExtraStreamToClipData(); intent.prepareToLeaveProcess(); // ----------------look here!!!!!!!!!!!!!!!!!!! int result = ActivityManagerNative.getDefault() .startActivity(whoThread, who.getBasePackageName(), intent, intent.resolveTypeIfNeeded(who.getContentResolver()), token, target != null ? target.mEmbeddedID : null, requestCode, 0, null, null, options); checkStartActivityResult(result, intent); } catch (RemoteException e) { } return null; }

到這里我們發現真正調用的是ActivityManagerNative的startActivity方法；如果你不清楚ActivityManager，ActivityManagerService以及ActivityManagerNative之間的關系；建議先仔細閱讀我之前關於Binder的文章 Binder學習指南。

Activity.startActivity

Activity類的startActivity方法相比Context而言直觀了很多；這個startActivity通過若干次調用輾轉到達startActivityForResult這個方法，在這個方法內部有如下代碼：

1 2 3 4

Instrumentation.ActivityResult ar = mInstrumentation.execStartActivity( this, mMainThread.getApplicationThread(), mToken, this, intent, requestCode, options);

可以看到，其實通過Activity和ContextImpl類啟動Activity並無本質不同，他們都通過Instrumentation這個輔助類調用到了ActivityManagerNative的方法。

Hook AMS

OK，我們到現在知道；其實startActivity最終通過ActivityManagerNative這個方法遠程調用了AMS的startActivity方法。那么這個ActivityManagerNative是什么呢？

ActivityManagerNative實際上就是ActivityManagerService這個遠程對象的Binder代理對象；每次需要與AMS打交道的時候，需要借助這個代理對象通過驅動進而完成IPC調用。

我們繼續看ActivityManagerNative的getDefault()方法做了什么：

1 2 3

static public IActivityManager getDefault() { return gDefault.get(); }

gDefault這個靜態變量的定義如下：

1 2 3 4 5 6 7

private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() { protected IActivityManager create() { IBinder b = ServiceManager.getService("activity IActivityManager am = asInterface( return am; } };

由於整個Framework與AMS打交道是如此頻繁，framework使用了一個單例把這個AMS的代理對象保存了起來；這樣只要需要與AMS進行IPC調用，獲取這個單例即可。這是AMS這個系統服務與其他普通服務的不同之處，也是我們不通過Binder Hook的原因——我們只需要簡單地Hook掉這個單例即可。

這里還有一點小麻煩：Android不同版本之間對於如何保存這個單例的代理對象是不同的；Android 2.x系統直接使用了一個簡單的靜態變量存儲，Android 4.x以上抽象出了一個Singleton類；具體的差異可以使用grepcode進行比較：差異

我們以4.x以上的代碼為例說明如何Hook掉AMS；方法使用的動態代理，如果有不理解的，可以參考之前的系列文章Android插件化原理解析——Hook機制之動態代理

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Class<?> activityManagerNativeClass = Class.forName("android.app.ActivityManagerNative"); // 獲取 gDefault 這個字段, 想辦法替換它 Field gDefaultField = activityManagerNativeClass.getDeclaredField("gDefault"); gDefaultField.setAccessible(true); Object gDefault = gDefaultField.get(null); // 4.x以上的gDefault是一個 android.util.Singleton對象; 我們取出這個單例里面的字段 Class<?> singleton = Class.forName("android.util.Singleton"); Field mInstanceField = singleton.getDeclaredField("mInstance"); mInstanceField.setAccessible(true); // ActivityManagerNative 的gDefault對象里面原始的 IActivityManager對象 Object rawIActivityManager = mInstanceField.get(gDefault); // 創建一個這個對象的代理對象, 然后替換這個字段, 讓我們的代理對象幫忙干活 Class<?> iActivityManagerInterface = Class.forName("android.app.IActivityManager"); Object proxy = Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(), new Class<?>[] { iActivityManagerInterface }, new IActivityManagerHandler(rawIActivityManager)); mInstanceField.set(gDefault, proxy);

好了，我們hook成功之后啟動Activity看看會發生什么：

1 2 3 4 5 6 7 8

D/HookHelper﹕ hey, baby; you are hook!! D/HookHelper﹕ method:activityResumed called with args:[android.os.BinderProxy@9bc71b2] D/HookHelper﹕ hey, baby; you are hook!! D/HookHelper﹕ method:activityIdle called with args:[android.os.BinderProxy@9bc71b2, null, false] D/HookHelper﹕ hey, baby; you are hook!! D/HookHelper﹕ method:startActivity called with args:[android.app.ActivityThread$ApplicationThread@17e750c, com.weishu.upf.ams_pms_hook.app, Intent { act=android.intent.action.VIEW dat=http://wwww.baidu.com/... }, null, android.os.BinderProxy@9bc71b2, null, -1, 0, null, null] D/HookHelper﹕ hey, baby; you are hook!! D/HookHelper﹕ method:activityPaused called with args:[android.os.BinderProxy@9bc71b2]

可以看到，簡單的幾行代碼，AMS已經被我們完全劫持了!! 至於劫持了能干什么，自己發揮想象吧~

DroidPlugin關於AMS的Hook，可以查看IActivityManagerHook這個類，它處理了我上述所說的兼容性問題，其他原理相同。另外，也許有童鞋有疑問了，你用startActivity為例怎么能確保Hook掉這個靜態變量之后就能保證所有使用AMS的入口都被Hook了呢？

答曰：無他，唯手熟爾。

Android Framewrok層對於四大組件的處理，調用AMS服務的時候，全部都是通過使用這種方式；若有疑問可以自行查看源碼。你可以從Context類的startActivity, startService,bindService, registerBroadcastReceiver, getContentResolver 等等入口進行跟蹤，最終都會發現它們都會使用ActivityManagerNative的這個AMS代理對象來完成對遠程AMS的訪問。

PMS獲取過程

PMS的獲取也是通過Context完成的，具體就是getPackageManager這個方法；我們姑且當作已經知道了Context的實現在ContextImpl類里面，直奔ContextImpl類的getPackageManager方法：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

public PackageManager getPackageManager() { if (mPackageManager != null) { return mPackageManager; } IPackageManager pm = ActivityThread.getPackageManager(); if (pm != null) { // Doesn't matter if we make more than one instance. return (mPackageManager = new ApplicationPackageManager(this, pm)); } return null; }

可以看到，這里干了兩件事：

1. 真正的PMS的代理對象在ActivityThread類里面
2. ContextImpl通過ApplicationPackageManager對它還進行了一層包裝

我們繼續查看ActivityThread類的getPackageManager方法，源碼如下：

1 2 3 4 5 6 7 8

public static IPackageManager getPackageManager() { if (sPackageManager != null) { return sPackageManager; } IBinder b = ServiceManager.getService("package"); sPackageManager = IPackageManager.Stub.asInterface(b); return sPackageManager; }

可以看到，和AMS一樣，PMS的Binder代理對象也是一個全局變量存放在一個靜態字段中；我們可以如法炮制，Hook掉PMS。

現在我們的目的很明切，如果需要Hook PMS有兩個地方需要Hook掉：

1. ActivityThread的靜態字段sPackageManager
2. 通過Context類的getPackageManager方法獲取到的ApplicationPackageManager對象里面的mPM字段。

Hook PMS

現在使用代理Hook應該是輕車熟路了吧，通過上面的分析，我們Hook兩個地方；代碼信手拈來：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

// 獲取全局的ActivityThread對象 Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread"); Method currentActivityThreadMethod = activityThreadClass.getDeclaredMethod("currentActivityThread"); Object currentActivityThread = currentActivityThreadMethod.invoke(null); // 獲取ActivityThread里面原始的 sPackageManager Field sPackageManagerField = activityThreadClass.getDeclaredField("sPackageManager"); sPackageManagerField.setAccessible(true); Object sPackageManager = sPackageManagerField.get(currentActivityThread); // 准備好代理對象, 用來替換原始的對象 Class<?> iPackageManagerInterface = Class.forName("android.content.pm.IPackageManager"); Object proxy = Proxy.newProxyInstance(iPackageManagerInterface.getClassLoader(), new Class<?>[] { iPackageManagerInterface }, new HookHandler(sPackageManager)); // 1. 替換掉ActivityThread里面的 sPackageManager 字段 sPackageManagerField.set(currentActivityThread, proxy); // 2. 替換 ApplicationPackageManager里面的 mPM對象 PackageManager pm = context.getPackageManager(); Field mPmField = pm.getClass().getDeclaredField("mPM"); mPmField.setAccessible(true); mPmField.set(pm, proxy);

好了，Hook完畢我們驗證以下結論；調用一下PMS的getInstalledApplications方法，打印日志如下：

1 2	03-07 15:07:27.187 8306-8306/com.weishu.upf.ams_pms_hook.app D/IActivityManagerHandler﹕ hey, baby; you are hook!! 03-07 15:07:27.187 8306-8306/com.weishu.upf.ams_pms_hook.app D/IActivityManagerHandler﹕ method:getInstalledApplications called with args:[0, 0]

OK，我們又成功劫持了PackageManager！！DroidPlugin 處理PMS的代碼可以在IPackageManagerHook查看。

在結束講解PackageManager的Hook之前，我們需要說明一點；那就是Context的實現類里面沒有使用靜態全局變量來保存PMS的代理對象，而是每擁有一個Context的實例就持有了一個PMS代理對象的引用；所以這里有個很蛋疼的事情，那就是我們如果想要完全Hook住PMS，需要精確控制整個進程內部創建的Context對象；所幸，插件框架中，插件的Activity，Service，ContentProvider，Broadcast等所有使用到Context的地方，都是由框架控制創建的；因此我們要小心翼翼地替換掉所有這些對象持有的PMS代理對象。

我前面也提到過，靜態變量和單例都是良好的Hook點，這里很好地反證了這句話：想要Hook掉一個實例變量該是多么麻煩!

小結

寫到這里，關於DroidPlugin的Hook技術的講解已經完結了；我相信讀者或多或少地認識到，其實Hook並不是一項神秘的技術；一個干凈，透明的框架少不了AOP，而AOP也少不了Hook。

我所講解的Hook僅僅使用反射和動態代理技術，更加強大的Hook機制可以進行字節碼編織，比如J2EE廣泛使用了cglib和asm進行AOP編程；而Android上現有的插件框架還是加載編譯時代碼，采用動態生成類的技術理論上也是可行的；之前有一篇文章Android動態加載黑科技 動態創建Activity模式，就講述了這種方式；現在全球的互聯網公司不排除有用這種技術實現插件框架的可能 ；我相信不遠的未來，這種技術也會在Android上大放異彩。

了解完Hook技術之后，接下來的系列文章會講述DroidPlugin對Android四大組件在插件系統上的處理，插件框架對於這一部分的實現是DroidPlugin的精髓，Hook只不過是工具而已。學習這部分內容需要對於Activity，Service，Broadcast以及ContentProvider的工作機制有一定的了解，因此我也會在必要的時候穿插講解一些Android Framework的知識；我相信這一定會對讀者大有裨益。