免Root 实现App加载Xposed插件的工具Xpatch源码解析（二）
前言
Xpatch是笔者开发的一款破解Android App工具，源码地址：
https://github.com/WindySha/Xpatch
本文接着上一篇Xpatch源码解析文章，继续分析Xpatch的实现原理。
Xpatch加载Xposed插件流程
查找插件Apk
加载Xposed插件之前，首先需要遍历所有安装的应用，根据Xposed插件的特征，找到其中的Xposed插件。
那什么样的应用才是Xposed插件呢？
根据Xposed插件的书写规范中要求，插件Apk的Manifest文件中需要包含android:name="xposedmodule"这样的meta-data信息：
根据此特征，我们获取App PackageInfo中的meta data，从而过滤出插件Apk，具体实现源码如下：
private static List loadAllInstalledModule(Context context) {
PackageManager pm = context.getPackageManager();
List modulePathList = new ArrayList<>();
// modulePathList.add("mnt/sdcard/app-debug.apk");
List packageNameList = loadPackageNameListFromFile(true);
List> installedModuleList = new ArrayList<>();
boolean configFileExist = configFileExist();
for (PackageInfo pkg : pm.getInstalledPackages(PackageManager.GET_META_DATA)) {
ApplicationInfo app = pkg.applicationInfo;
if (!app.enabled)
continue;
if (app.metaData != null && app.metaData.containsKey("xposedmodule")) {
String apkPath = pkg.applicationInfo.publicSourceDir;
String apkName = context.getPackageManager().getApplicationLabel(pkg.applicationInfo).toString();
if (TextUtils.isEmpty(apkPath)) {
apkPath = pkg.applicationInfo.sourceDir;
}
if (!TextUtils.isEmpty(apkPath) && (!configFileExist || packageNameList == null || packageNameList
.contains(app.packageName))) {
XLog.d(TAG, " query installed module path -> " + apkPath);
modulePathList.add(apkPath);
}
installedModuleList.add(Pair.create(pkg.applicationInfo.packageName, apkName));
}
}
final List> installedModuleListFinal = installedModuleList;
// ...
// ...
return modulePathList;
}
加载插件Apk
找到了插件Apk之后，就可以得到此Apk的路径（data/app/包名 目录下面），然后就是根据此路径加载插件。
加载插件的方法是：com.wind.xposed.entry.XposedModuleLoader.loadModule()
其主要流程参考了原版Xposed框架中的实现，过程如下：
- 根据插件Apk文件路径构造DexClassLoader；
- 读取Apk asset目录下’'assets/xposed_init’文件中所有的类名；
- 根据类名和Classloader构造入口类，并执行类的入口方法
handleLoadPackage。
流程源码和注释：
public static int loadModule(final String moduleApkPath, String moduleOdexDir, String moduleLibPath,
final ApplicationInfo currentApplicationInfo, ClassLoader appClassLoader) {
// ...
// 创建DexClassLoader
ClassLoader mcl = new DexClassLoader(moduleApkPath, moduleOdexDir, moduleLibPath, appClassLoader);
// 读取asset目录中文件里写入的所有类名
InputStream is = mcl.getResourceAsStream("assets/xposed_init");
// ...
BufferedReader moduleClassesReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
try {
String moduleClassName;
while ((moduleClassName = moduleClassesReader.readLine()) != null) {
moduleClassName = moduleClassName.trim();
if (moduleClassName.isEmpty() || moduleClassName.startsWith("#"))
continue;
try {
XLog.i(TAG, " Loading class " + moduleClassName);
// 构造对象
Class moduleClass = mcl.loadClass(moduleClassName);
if (!XposedHelper.isIXposedMod(moduleClass)) {
Log.i(TAG, " This class doesn't implement any sub-interface of IXposedMod, skipping it");
continue;
} else if (IXposedHookInitPackageResources.class.isAssignableFrom(moduleClass)) {
Log.i(TAG, " This class requires resource-related hooks (which are disabled), skipping it.");
continue;
}
final Object moduleInstance = moduleClass.newInstance();
if (moduleInstance instanceof IXposedHookZygoteInit) {
XposedHelper.callInitZygote(moduleApkPath, moduleInstance);
}
// 执行对象中的`handleLoadPackage`入口方法，实现hook流程
if (moduleInstance instanceof IXposedHookLoadPackage) {
// hookLoadPackage(new IXposedHookLoadPackage.Wrapper((IXposedHookLoadPackage) moduleInstance));
IXposedHookLoadPackage.Wrapper wrapper = new IXposedHookLoadPackage.Wrapper((IXposedHookLoadPackage) moduleInstance);
XposedBridge.CopyOnWriteSortedSet xc_loadPackageCopyOnWriteSortedSet = new XposedBridge.CopyOnWriteSortedSet<>();
xc_loadPackageCopyOnWriteSortedSet.add(wrapper);
XC_LoadPackage.LoadPackageParam lpparam = new XC_LoadPackage.LoadPackageParam(xc_loadPackageCopyOnWriteSortedSet);
lpparam.packageName = currentApplicationInfo.packageName;
lpparam.processName = currentApplicationInfo.processName;
lpparam.classLoader = appClassLoader;
lpparam.appInfo = currentApplicationInfo;
lpparam.isFirstApplication = true;
XC_LoadPackage.callAll(lpparam);
}
} catch (Throwable t) {
}
}
} catch (IOException e) {
} finally {
}
Apk中注入代码的实现
往Apk中注入代码，一般来说，有两种主流方法：
- 最常用的方法，使用ApkTool将Apk反编译为smali代码，修改smali文件，然后再将修改后的文件使用ApkTool打包，从而实现代码的修改；
- 修改dex2jar工程源码，使得在dex转换为jar过程中能够插入java代码，然后再使用jar2dex工具将修改后的jar转换为dex文件，从而实现代码修改和回编。
这里，我们选取了第二种方法。第二种方法的难点是如何修改dex2jar工程源码实现代码的插入。
为此，需要先分析其实现原理。
Claud大神开源的dex2jar工具大致原理是，先根据dex文件格式规则解析dex文件中的所有类信息，然后再利用ASM工具根据这些信息生成Class文件。
对Java开发比较熟悉的人，应该很熟悉ASM。ASM是一个Java字节码操作框架。它可以直接对class文件进行增删改的操作，能被用来动态生成类或者增强既有类的功能。Java中许多的框架的实现是基于ASM，比如Java AOP的实现，JavaWeb开发中的Spring框架的实现等等。可以说ASM就是一把利剑，是深入Java必须学习的一个点。
这里，我们就不讲解ASM的原理和用法，只讲解如何利用ASM修改dex2jar工程源码，从而实现代码的注入。
ASM代码生成
在上一篇源码解析文章中，我们说过，破解Apk，只需要在其Application类中注入这样一段静态代码块:
package com.test;
import android.app.Application;
import com.wind.xposed.entry.XposedModuleEntry;
public class MyApplication extends Application {
static {
XposedModuleEntry.init();
}
}
那这样的一段代码，如何用ASM工具生成呢。
假如对ASM的API熟悉的话，其实很容易就能实现这样一小段代码的生成。
假如不熟悉的话，也没关系，我们可以利用Android Studio中的一个插件，查看这段代码的ASM的实现。这个插件的名字是：ASM Bytecode Viewer
通过这个插件，我们可以清晰的看到生成这段代码的ASM代码的实现：
public class MyApplicationDump implements Opcodes {
public static byte[] dump() throws Exception {
ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
FieldVisitor fv;
MethodVisitor mv;
AnnotationVisitor av0;
cw.visit(V1_7, ACC_PUBLIC + ACC_SUPER, "com/test/MyApplication", null, "android/app/Application", null);
cw.visitSource("MyApplication.java", null);
{
mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, "", "()V", null, null);
mv.visitCode();
Label l0 = new Label();
mv.visitLabel(l0);
mv.visitLineNumber(7, l0);
mv.visitVarInsn(ALOAD, 0);
mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "android/app/Application", "", "()V", false);
mv.visitInsn(RETURN);
Label l1 = new Label();
mv.visitLabel(l1);
mv.visitLocalVariable("this", "Lcom/test/MyApplication;", null, l0, l1, 0);
mv.visitMaxs(1, 1);
mv.visitEnd();
}
{
mv = cw.visitMethod(ACC_STATIC, "", "()V", null, null);
mv.visitCode();
Label l0 = new Label();
mv.visitLabel(l0);
mv.visitLineNumber(11, l0);
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/wind/xposed/entry/XposedModuleEntry", "init", "()V", false);
Label l1 = new Label();
mv.visitLabel(l1);
mv.visitLineNumber(12, l1);
mv.visitInsn(RETURN);
mv.visitMaxs(0, 0);
mv.visitEnd();
}
cw.visitEnd();
return cw.toByteArray();
}
}
这段代码中，第一个花括号中代码用来生成这个类的默认构造方法，第二个花括号中是用来生成静态代码块方法，去掉生成标签行数等无关代码后，最终需要的代码仅仅是：
mv = cw.visitMethod(ACC_STATIC, "", "()V", null, null);
mv.visitCode();
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/wind/xposed/entry/XposedModuleEntry", "init", "()V", false);
mv.visitInsn(RETURN);
mv.visitMaxs(0, 0);
mv.visitEnd();
下面再分析如何将这段ASM代码加到dex2jar工程中，从而实现代码植入。
修改dex2jar源码
通过不断调试dex2jar源码，我们可以找到使用ASM生成字节码的代码位置，在Dex2jar.java文件的doTranslate ()方法中：
// dex2jar项目源码
// com.googlecode.d2j.dex.Dex2jar.java
private void doTranslate(final Path dist) throws IOException {
// ...
new ExDex2Asm(exceptionHandler) {
public void convertCode(DexMethodNode methodNode, MethodVisitor mv) {
if ((readerConfig & DexFileReader.SKIP_CODE) != 0 && methodNode.method.getName().equals("")) {
// also skip clinit
return;
}
super.convertCode(methodNode, mv);
}
@Override
public void optimize(IrMethod irMethod) {
// ...
// ...
}
@Override
public void ir2j(IrMethod irMethod, MethodVisitor mv) {
new IR2JConverter(0 != (V3.OPTIMIZE_SYNCHRONIZED & v3Config)).convert(irMethod, mv);
}
}.convertDex(fileNode, cvf);
// ...
}
ExDex2Asm方法convertCode是其父类中对外暴露的方法，用于处理每个方法生成。
在这里，我们可以判断当前类是不是应用的Application类，以及方法是不是静态代码块方法visitMethodInsn加上XposedModuleEntry.init();方法，代码如下：
if (methodNode.method.getOwner().equals(applicationName) && methodNode.method.getName().equals("")) {
isApplicationClassFounded = true;
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, XPOSED_ENTRY_CLASS_NAME, "init", "()V", false);
}
还有另外一种情形，也需要处理，就是当前应用自定义的Application类没有方法静态方法块的情形。对于这种情形的处理，仅修改ExDex2Asm类中的代码，显然无法实现。我们需要在其父类Dex2Asm中增加一个非私有的空方法，暴露给子类ExDex2Asm。这个方法需要包含类的节点信息DexClassNode和ASM代码生成对象ClassVisitor。
通过分析Dex2Asm类中代码，最终选择了在其convertClass方法后面的位置调用此方法，代码如下：
// com.googlecode.d2j.dex.Dex2jar.java
public void convertClass(int dexVersion, DexClassNode classNode,
ClassVisitorFactory cvf, Map<String, Clz> classes) {
accept(classNode.anns, cv);
// ...
if (classNode.fields != null) {
for (DexFieldNode fieldNode : classNode.fields) {
convertField(classNode, fieldNode, cv);
}
}
// 在这里调用新增加的方法
addMethod(classNode, cv);
if (classNode.methods != null) {
for (DexMethodNode methodNode : classNode.methods) {
convertMethod(classNode, methodNode, cv);
}
}
cv.visitEnd();
}
// 这是新增加的方法，具体实现在子类中
public void addMethod(DexClassNode classNode, ClassVisitor cv) {
}
在addMethod具体实现中，先判断当前类是Application类，然后再遍历类的所有方法，如果没有静态代码块方法，通过ASM加上静态代码块方法，这段增加方法的ASM代码，就是上面用Android Studio中的ASM插件生成的。
最终完整代码如下：
// 修改后的dex2jar项目代码
// com.googlecode.d2j.dex.Dex2jar.java
new ExDex2Asm(exceptionHandler) {
public void convertCode(DexMethodNode methodNode, MethodVisitor mv) {
// 增加的代码，用于在Application静态代码块中增加XposedModuleEntry.init();
if (methodNode.method.getOwner().equals(applicationName) && methodNode.method.getName().equals("")) {
isApplicationClassFounded = true;
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, XPOSED_ENTRY_CLASS_NAME, "init", "()V", false);
}
if ((readerConfig & DexFileReader.SKIP_CODE) != 0 && methodNode.method.getName().equals("")) {
// also skip clinit
return;
}
super.convertCode(methodNode, mv);
}
// 增加的代码
@Override
public void addMethod(com.googlecode.d2j.node.DexClassNode classNode, ClassVisitor cv) {
// 找到应用的Application类
if (classNode.className.equals(applicationName)) {
isApplicationClassFounded = true;
boolean hasFoundClinitMethod = false;
if (classNode.methods != null) {
// 判断是否存在静态代码块
for (DexMethodNode methodNode : classNode.methods) {
if (methodNode.method.getName().equals("")) {
hasFoundClinitMethod = true;
break;
}
}
}
// 通过ASM增加静态代码块方法，并注入初始化方法XposedModuleEntry.init();
if (!hasFoundClinitMethod) {
MethodVisitor mv = cv.visitMethod(Opcodes.ACC_STATIC, "", "()V", null, null);
mv.visitCode();
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, XPOSED_ENTRY_CLASS_NAME, "init", "()V", false);
mv.visitInsn(Opcodes.RETURN);
mv.visitMaxs(0, 0);
mv.visitEnd();
}
}
}
@Override
public void optimize(IrMethod irMethod) {
// ...
}
@Override
public void ir2j(IrMethod irMethod, MethodVisitor mv) {
new IR2JConverter(0 != (V3.OPTIMIZE_SYNCHRONIZED & v3Config)).convert(irMethod, mv);
}
}.convertDex(fileNode, cvf);
}
此外，Dex2Jar类对象applicationName是从外面传入的应用定义的Application类全名，在Dex2jarCmd类中传入，Dex2jarCmd类的修改点如下：
// com.googlecode.dex2jar.tools.Dex2jarCmd.java
public class Dex2jarCmd extends BaseCmd {
// ...
// ...
// 新增的命令行参数，用于传应用的Application全类名
@Opt(opt = "app", longOpt = "applicationName", description = "application full name that method should be insert into",
argName = "application-name")
private String applicationName;
protected void doCommandLine() throws Exception {
// ...
// ...
dex2jar = Dex2jar.from(reader);
dex2jar.withExceptionHandler(handler).reUseReg(reuseReg).topoLogicalSort()
.skipDebug(!debugInfo).optimizeSynchronized(this.optmizeSynchronized).printIR(printIR)
.noCode(noCode).skipExceptions(skipExceptions)
.setApplicationName(applicationName).to(file); // 新增的代码
// ...
// ...
}
...
// 新增的方法，用于暴露给外面，判断当前Dex中是否存在应用的Application类
public boolean isApplicationClassFounded() {
if (dex2jar == null) {
return false;
}
return dex2jar.isApplicationClassFounded();
}
}
Dex2jar类增加的两个成员变量和相关方法如下：
// 修改后的dex2jar项目代码
// com.googlecode.d2j.dex.Dex2jar.java
public class Dex2jar {
// ...
// ...
// 新增的两个成员变量
private String applicationName;
private boolean isApplicationClassFounded = false;
// 增加应用application的名称
public Dex2jar setApplicationName(String appName) {
this.applicationName = appName;
applicationName = applicationName.replace('.', '/');
if (!applicationName.endsWith(";")) {
applicationName += ";";
}
if (!applicationName.startsWith("L")) {
applicationName = "L" + applicationName;
}
return this;
}
public boolean isApplicationClassFounded() {
return isApplicationClassFounded;
}
// ...
// ...
}
至此，我们完成了dex2jar工程的改造，顺利实现了给一个Apk注入代码。
打包及签名流程
有了上面的准备工作后，我们来分析Xpatch源码中，调用dex2jar工具修改apk流程，以及对修改后的apk打包签名的流程。
Xpatch源码的入口类MainCommand，其核心方法是doCommandLine()。
在doCommandLine()方法的主流程执行之前，先做了以下准备工作：`
- 解析命令行参数，主要是包括原Apk路径和生成的Apk路径；
- 解析Apk压缩包，读取dex文件的个数；
- 通过AxmlPrinter2工具解析Manifest文件中的Application全类名；
以上准备工具完成后，通过三个task处理Apk文件，源码如下：
// 1. modify the apk dex file to make xposed can run in it
mXpatchTasks.add(new ApkModifyTask(showAllLogs, keepBuildFiles, unzipApkFilePath, applicationName,
dexFileCount));
// 2. copy xposed so and dex files into the unzipped apk
mXpatchTasks.add(new SoAndDexCopyTask(dexFileCount, unzipApkFilePath, getXposedModules(xposedModules)));
// 3. compress all files into an apk and then sign it.
mXpatchTasks.add(new BuildAndSignApkTask(keepBuildFiles, unzipApkFilePath, output));
// 4. excute these tasks
for (Runnable executor : mXpatchTasks) {
executor.run();
}
这三个task的作用分别是：
- 利用修改后的dex2jar工具和jar2dex工具修改Apk中应用Application类的代码；
- 将用于加载Xposed插件的dex文件和so文件复制到Apk解压后的文件目录下；
- 将Apk解压后的文件目录重新压缩为zip压缩包，并重新签名。
第二个task和第三个task比较简单，这里就不一一分析。
主要分析一下第一个task，修改Apk源码的task: ApkModifyTask。
ApkModifyTask的核心流程是遍历Apk解压出来的所有dex文件，对每个dex文件执行Dex2jarCmd，这个cmd的作用就是找到dex中应用的Application类，并插入代码，如果找到，就不继续处理下一个dex文件，因为每个App只有一个Application类，代码细节如下：
private String dumpJarFile(int dexFileCount, String dexFilePath, String jarOutputPath, String applicationName) {
ArrayList dexFileList = createClassesDotDexFileList(dexFileCount);
for (String dexFileName : dexFileList) {
String filePath = dexFilePath + dexFileName;
// 执行dex2jar命令，修改源代码
boolean isApplicationClassFound = dex2JarCmd(filePath, jarOutputPath, applicationName);
// 找到了目标应用主application的包名，说明代码注入成功，则返回当前dex文件
if (isApplicationClassFound) {
return dexFileName;
}
}
return "";
}
private boolean dex2JarCmd(String dexPath, String jarOutputPath, String applicationName) {
Dex2jarCmd cmd = new Dex2jarCmd();
String[] args = new String[]{
dexPath,
"-o",
jarOutputPath,
"-app",
applicationName,
"--force"
};
cmd.doMain(args);
// 执行完命令后，会返回查找Application Class的结果
boolean isApplicationClassFounded = cmd.isApplicationClassFounded();
if (showAllLogs) {
System.out.println("isApplicationClassFounded -> " + isApplicationClassFounded + "the dexPath is " +
dexPath);
}
return isApplicationClassFounded;
}
使用dex2jar修改完Apk的Application类之后，得到的是一个jar文件，再通过jar2dex工具转为dex文件：
private void jar2DexCmd(String jarFilePath, String dexOutPath) {
Jar2Dex cmd = new Jar2Dex();
String[] args = new String[]{
jarFilePath,
"-o",
dexOutPath
};
cmd.doMain(args);
}
最后删除生成的jar文件，新的dex文件就是完成代码注入后的dex。
最后，将这些dex文件和so文件压缩为Apk文件，并签名。
至此，完成Apk的篡改，并实现App启动时，加载设备上已安装的所有Xposed插件模块。
总结
最后，归纳一下Xpatch破解App的整体流程：
- 利用Android Art Hook框架（whale或者SandHook），开发能够加载Xposed模块的Apk，并导出其中的dex和so文件；
- 修改dex2jar工具，以实现在dex转换为jar的过程中，查找App的主Application类，并在此类中插入一段静态代码块，实现加载Xposed模块；
- 将修改后的dex和加载Xposed模块的dex和so文件一起打包签名，从而完成代码注入，实现Xposed模块的加载。
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