【服务器学习】hook模块

hook模块

以下是从sylar服务器中学的，对其的复习；
参考资料

hook系统底层和socket相关的API，socket IO相关的API，以及sleep系列的API。hook的开启控制是线程粒度的，可以自由选择。通过hook模块，可以使一些不具异步功能的API，展现出异步的性能，如MySQL。

hook概述

hook实际上就是对系统调用API进行一次封装，将其封装成一个与原始的系统调用API同名的接口，应用在调用这个接口时，会先执行封装中的操作，再执行原始的系统调用API。

hook技术可以使应用程序在执行系统调用之前进行一些隐藏的操作，比如可以对系统提供malloc()和free()进行hook，在真正进行内存分配和释放之前，统计内存的引用计数，以排查内存泄露问题。

• hook功能

hook的目的是在不重新编写代码的情况下，把老代码中的socket IO相关的API都转成异步，以提高性能。

• hook实现

hook的实现机制非常简单，就是通过动态库的全局符号介入功能，用自定义的接口来替换掉同名的系统调用接口。由于系统调用接口基本上是由C标准函数库libc提供的，所以这里要做的事情就是用自定义的动态库来覆盖掉libc中的同名符号。

基于动态链接的hook有两种方式，第一种是外挂式hook，也称为非侵入式hook，通过优先加自定义载动态库来实现对后加载的动态库进行hook，这种hook方式不需要重新编译代码
下面在不重新编译代码的情况下，用自定义的动态库来替换掉可执行程序a.out中的write实现，新建hook.c

#include 
#include 
#include 
 
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count) {
    syscall(SYS_write, STDOUT_FILENO, "12345\n", strlen("12345\n"));
}

这里实现了一个write函数，这个函数的签名和libc提供的write函数完全一样，函数内容是用syscall的方式直接调用编号为SYS_write的系统调用，实现的效果也是往标准输出写内容，只不过这里我们将输出内容替换成了其他值。将hook.c编译成动态库：

gcc -fPIC -shared hook.c -o libhook.so

通过设置 LD_PRELOAD环境变量，将libhoook.so设置成优先加载，从面覆盖掉libc中的write函数

# LD_PRELOAD="./libhook.so" ./a.out
12345

这里我们并没有重新编译可执行程序a.out，但是可以看到，write的实现已经替换成了我们自己的实现。究其原因，就是LD_PRELOAD环境变量，它指明了在运行a.out之前，系统会优先把libhook.so加载到了程序的进程空间，使得在a.out运行之前，其全局符号表中就已经有了一个write符号，这样在后续加载libc共享库时，由于全局符号介入机制，libc中的write符号不会再被加入全局符号表，所以全局符号表中的write就变成了我们自己的实现。

第二种方式的hook是侵入式的，需要改造代码或是重新编译一次以指定动态库加载顺序。如果是以改造代码的方式来实现hook，那么可以像下面这样直接将write函数的实现放在main.c里，那么编译时全局符号表里先出现的必然是main.c中的write符号：

#include 
#include 
#include 
 
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count) {
    syscall(SYS_write, STDOUT_FILENO, "12345\n", strlen("12345\n"));
}
 
int main() {
    write(STDOUT_FILENO, "hello world\n", strlen("hello world\n")); // 这里调用的是上面的write实现
    return 0;
}

关于如何找回已经被全局符号介入机制覆盖的系统调用接口，因为大部分情况下，系统调用提供的功能都是无可替代的，我们虽然可以用hook的方式将其替换成自己的实现，但是最终要实现的功能，还是得由原始的系统调用接口来完成。在Linux中，这个方法就是dslym

sylar hook模块设计

sylar的hook功能以线程为单位，可自由设置当前线程是否使用hook。默认情况下，协程调度器的调度线程会开启hook，而其他线程则不会开启。

sylar对以下函数进行了hook，并且只对socket fd进行了hook，如果操作的不是socket fd，那会直接调用系统原本的API，而不是hook之后的API

sleep
usleep
nanosleep
socket
connect
accept
read
readv
recv
recvfrom
recvmsg
write
writev
send
sendto
sendmsg
close
fcntl
ioctl
getsockopt
setsockopt

除此外，sylar还增加了一个 connect_with_timeout 接口用于实现带超时的connect。

为了管理所有的socket fd，sylar设计了一个FdManager类来记录所有分配过的fd的上下文，这是一个单例类，每个socket fd上下文记录了当前fd的读写超时，是否设置非阻塞等信息。

关于hook模块和IO协程调度的整合。一共有三类接口需要hook，如下：

1. sleep延时系列接口，包括sleep/usleep/nanosleep。对于这些接口的hook，只需要给IO协程调度器注册一个定时事件，在定时事件触发后再继续执行当前协程即可。当前协程在注册完定时事件后即可yield让出执行权。

2. socket IO系列接口，包括read/write/recv/send…等，connect及accept也可以归到这类接口中。这类接口的hook首先需要判断操作的fd是否是socket fd，以及用户是否显式地对该fd设置过非阻塞模式，如果不是socket fd或是用户显式设置过非阻塞模式，那么就不需要hook了，直接调用操作系统的IO接口即可。如果需要hook，那么首先在IO协程调度器上注册对应的读写事件，等事件发生后再继续执行当前协程。当前协程在注册完IO事件即可yield让出执行权。

3. socket/fcntl/ioctl/close等接口，这类接口主要处理的是边缘情况，比如分配fd上下文，处理超时及用户显式设置非阻塞问题。

socket fd上下文和FdManager的实现，这两个类用于记录fd上下文和保存全部的fd上下文，它们的关键实现如下

/**
 * @brief 文件句柄上下文类
 * @details 管理文件句柄类型(是否socket)
 *          是否阻塞,是否关闭,读/写超时时间
 */
class FdCtx : public std::enable_shared_from_this<FdCtx> {
public:
    typedef std::shared_ptr<FdCtx> ptr;
    /**
     * @brief 通过文件句柄构造FdCtx
     */
    FdCtx(int fd);
    /**
     * @brief 析构函数
     */
    ~FdCtx();
    ....
private:
    /// 是否初始化
    bool m_isInit: 1;
    /// 是否socket
    bool m_isSocket: 1;
    /// 是否hook非阻塞
    bool m_sysNonblock: 1;
    /// 是否用户主动设置非阻塞
    bool m_userNonblock: 1;
    /// 是否关闭
    bool m_isClosed: 1;
    /// 文件句柄
    int m_fd;
    /// 读超时时间毫秒
    uint64_t m_recvTimeout;
    /// 写超时时间毫秒
    uint64_t m_sendTimeout;
};
 
/**
 * @brief 文件句柄管理类
 */
class FdManager {
public:
    typedef RWMutex RWMutexType;
    /**
     * @brief 无参构造函数
     */
    FdManager();
 
    /**
     * @brief 获取/创建文件句柄类FdCtx
     * @param[in] fd 文件句柄
     * @param[in] auto_create 是否自动创建
     * @return 返回对应文件句柄类FdCtx::ptr
     */
    FdCtx::ptr get(int fd, bool auto_create = false);
 
    /**
     * @brief 删除文件句柄类
     * @param[in] fd 文件句柄
     */
    void del(int fd);
private:
    /// 读写锁
    RWMutexType m_mutex;
    /// 文件句柄集合
    std::vector<FdCtx::ptr> m_datas;
};
 
/// 文件句柄单例
typedef Singleton<FdManager> FdMgr;

FdCtx类在用户态记录了fd的读写超时和非阻塞信息，其中非阻塞包括用户显式设置的非阻塞和hook内部设置的非阻塞，区分这两种非阻塞可以有效应对用户对fd设置/获取NONBLOCK模式的情形。

另外注意一点，FdManager类对FdCtx的寻址采用了和IOManager中对FdContext的寻址一样的寻址方式，直接用fd作为数组下标进行寻址。

接下来是hook的整体实现。首先定义线程局部变量t_hook_enable，用于表示当前线程是否启用hook，使用线程局部变量表示hook模块是线程粒度的，各个线程可单独启用或关闭hook。然后是获取各个被hook的接口的原始地址， 这里要借助dlsym来获取。

#define HOOK_FUN(XX) \
    XX(sleep) \
    XX(usleep) \
    XX(nanosleep) \
    XX(socket) \
    XX(connect) \
    XX(accept) \
    XX(read) \
    XX(readv) \
    XX(recv) \
    XX(recvfrom) \
    XX(recvmsg) \
    XX(write) \
    XX(writev) \
    XX(send) \
    XX(sendto) \
    XX(sendmsg) \
    XX(close) \
    XX(fcntl) \
    XX(ioctl) \
    XX(getsockopt) \
    XX(setsockopt)
 
extern "C" {
#define XX(name) name ## _fun name ## _f = nullptr;
    HOOK_FUN(XX);
#undef XX
}
 
void hook_init() {
    static bool is_inited = false;
    if(is_inited) {
        return;
    }
#define XX(name) name ## _f = (name ## _fun)dlsym(RTLD_NEXT, #name);
    HOOK_FUN(XX);
#undef XX
}

上面的宏展开之后的效果如下：

extern "C" {
    sleep_fun sleep_f = nullptr; \
    usleep_fun usleep_f = nullptr; \
    ....
    setsocketopt_fun setsocket_f = nullptr;
};
 
hook_init() {
    ...
     
    sleep_f = (sleep_fun)dlsym(RTLD_NEXT, "sleep"); \
    usleep_f = (usleep_fun)dlsym(RTLD_NEXT, "usleep"); \
    ...
    setsocketopt_f = (setsocketopt_fun)dlsym(RTLD_NEXT, "setsocketopt");
}

hook_init() 放在一个静态对象的构造函数中调用，这表示在main函数运行之前就会获取各个符号的地址并保存在全局变量中。

最后是各个接口的hook实现，这部分和上面的全局变量定义要放在extern "C"中，以防止C++编译器对符号名称添加修饰。由于被hook的接口要完全模拟原接口的行为，所以这里要小心处理好各种边界情况以及返回值和errno问题。

1. sleep/usleep/nanosleep的hook实现，它们的实现思路完全一样，即先添加定时器再yield
2. socket接口的hook实现，socket用于创建套接字，需要在拿到fd后将其添加到FdManager中
3. connect和connect_with_timeout的实现，由于connect有默认的超时，所以这里只需要实现connect_with_timeout即可

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