abstract：Android 系統(tǒng)安全愈發(fā)重要，像傳統(tǒng)pc安全的可執(zhí)行文件加固一樣，應(yīng)用加固是Android系統(tǒng)安全中非常重要的一環(huán)。目前Android 應(yīng)用加固可以分為dex加固和Native加固，Native 加固的保護(hù)對象為 Native 層的 SO 文件，使用加殼、反調(diào)試、混淆、VM 等手段增加SO文件的反編譯難度。目前最主流的 SO 文件保護(hù)方案還是加殼技術(shù)， 在SO文件加殼和脫殼的攻防技術(shù)領(lǐng)域，最重

Android 系統(tǒng)安全愈發(fā)重要，像傳統(tǒng)pc安全的可執(zhí)行文件加固一樣，應(yīng)用加固是Android系統(tǒng)安全中非常重要的一環(huán)。目前Android 應(yīng)用加固可以分為dex加固和Native加固，Native 加固的保護(hù)對象為 Native 層的 SO 文件，使用加殼、反調(diào)試、混淆、VM 等手段增加SO文件的反編譯難度。目前最主流的 SO 文件保護(hù)方案還是加殼技術(shù)， 在SO文件加殼和脫殼的攻防技術(shù)領(lǐng)域，最重要的基礎(chǔ)的便是對于 Linker 即裝載鏈接機(jī)制的理解。對于非安全方向開發(fā)者，深刻理解系統(tǒng)的裝載與鏈接機(jī)制也是進(jìn)階的必要條件。

本文詳細(xì)分析了 Linker 對 SO 文件的裝載和鏈接過程，最后對 SO 加殼的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡要的介紹。

對于 Linker 的學(xué)習(xí)，還應(yīng)該包括 Linker 自舉、可執(zhí)行文件的加載等技術(shù)，但是限于本人的技術(shù)水平，本文的討論范圍限定在 SO 文件的加載，也就是在調(diào)用dlopen("libxx.SO")之后，Linker 的處理過程。

本文基于 Android 5.0 AOSP 源碼，僅針對 ARM 平臺，為了增強(qiáng)可讀性，文中列舉的源碼均經(jīng)過刪減，去除了其他 CPU 架構(gòu)的相關(guān)源碼以及錯誤處理。

另:閱讀本文的讀者需要對 ELF 文件結(jié)構(gòu)有一定的了解。

2. SO 的裝載與鏈接

2.1 整體流程說明

1. do_dlopen
調(diào)用 dl_open 后，中間經(jīng)過 dlopen_ext, 到達(dá)第一個主要函數(shù) do_dlopen:

soinfo* do_dlopen(const char* name, int flags, const Android_dlextinfo* extinfo) {

  protect_data(PROT_READ | PROT_WRITE);

  soinfo* si = find_library(name, flags, extinfo); // 查找 SO

  if (si != NULL) {

    si->CallConstructors(); // 調(diào)用 SO 的 init 函數(shù)

  }

  protect_data(PROT_READ);

  return si;

}

do_dlopen 調(diào)用了兩個重要的函數(shù)，第一個是find_library, 第二個是 soinfo 的成員函數(shù) CallConstructors，find_library 函數(shù)是 SO 裝載鏈接的后續(xù)函數(shù)， 完成 SO 的裝載鏈接后， 通過 CallConstructors 調(diào)用 SO 的初始化函數(shù)。

2. find_library_internal
find_library 直接調(diào)用了 find_library_internal，下面直接看 find_library_internal函數(shù):

static soinfo* find_library_internal(const char* name, int dlflags, const Android_dlextinfo* extinfo) {

  if (name == NULL) {

    return somain;

  }

  soinfo* si = find_loaded_library_by_name(name);  // 判斷 SO 是否已經(jīng)加載

  if (si == NULL) {

    TRACE("[ '%s' has not been found by name.  Trying harder...]", name);

    si = load_library(name, dlflags, extinfo);     // 繼續(xù) SO 的加載流程

  }

  if (si != NULL && (si->flags & FLAG_LINKED) == 0) {

    DL_ERR("recursive link to \"%s\"", si->name);

    return NULL;

  }

  return si;

}

find_library_internal 首先通過 find_loaded_library_by_name 函數(shù)判斷目標(biāo) SO 是否已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載則直接返回對應(yīng)的soinfo指針，沒有加載的話則調(diào)用 load_library 繼續(xù)加載流程，下面看 load_library 函數(shù)。

3. load_library

static soinfo* load_library(const char* name, int dlflags, const Android_dlextinfo* extinfo) {

    int fd = -1;

    ...

    // Open the file.

    fd = open_library(name);                // 打開 SO 文件，獲得文件描述符 fd

    ElfReader elf_reader(name, fd);         // 創(chuàng)建 ElfReader 對象

    ...

    // Read the ELF header and load the segments.

    if (!elf_reader.Load(extinfo)) {        // 使用 ElfReader 的 Load 方法，完成 SO 裝載

        return NULL;

    }

    soinfo* si = soinfo_alloc(SEARCH_NAME(name), &file_stat);  // 為 SO 分配新的 soinfo 結(jié)構(gòu)

    if (si == NULL) {

        return NULL;

    }

    si->base = elf_reader.load_start();  // 根據(jù)裝載結(jié)果，更新 soinfo 的成員變量

    si->size = elf_reader.load_size();

    si->load_bias = elf_reader.load_bias();

    si->phnum = elf_reader.phdr_count();

    si->phdr = elf_reader.loaded_phdr();

    ...

    if (!soinfo_link_image(si, extinfo)) {  // 調(diào)用 soinfo_link_image 完成 SO 的鏈接過程

      soinfo_free(si);

      return NULL;

    }

    return si;

}

load_library 函數(shù)呈現(xiàn)了 SO 裝載鏈接的整個流程，主要有3步:

1裝載:創(chuàng)建ElfReader對象，通過 ElfReader 對象的 Load 方法將 SO 文件裝載到內(nèi)存

2分配soinfo:調(diào)用 soinfo_alloc 函數(shù)為 SO 分配新的 soinfo 結(jié)構(gòu)，并按照裝載結(jié)果更新相應(yīng)的成員變量

3鏈接: 調(diào)用 soinfo_link_image 完成 SO 的鏈接

通過前面的分析，可以看到， load_library 函數(shù)中包含了 SO 裝載鏈接的主要過程, 后文主要通過分析 ElfReader 類和 soinfo_link_image 函數(shù), 來分別介紹 SO 的裝載和鏈接過程。

2.2 裝載

在 load_library 中， 首先初始化 elf_reader 對象, 第一個參數(shù)為 SO 的名字， 第二個參數(shù)為文件描述符 fd:
ElfReader elf_reader(name, fd)
之后調(diào)用 ElfReader 的 load 方法裝載 SO。

    ...

    // Read the ELF header and load the segments.

    if (!elf_reader.Load(extinfo)) {

        return NULL;

    }

    ...

ElfReader::Load 方法如下:

bool ElfReader::Load(const Android_dlextinfo* extinfo) {

  return ReadElfHeader() &&             // 讀取 elf header

         VerifyElfHeader() &&           // 驗證 elf header

         ReadProgramHeader() &&         // 讀取 program header

         ReserveAddressSpace(extinfo) &&// 分配空間

         LoadSegments() &&              // 按照 program header 指示裝載 segments

         FindPhdr();                    // 找到裝載后的 phdr 地址

}

ElfReader::Load 方法首先讀取 SO 的elf header，再對elf header進(jìn)行驗證，之后讀取program header，根據(jù)program header 計算 SO 需要的內(nèi)存大小并分配相應(yīng)的空間，緊接著將 SO 按照以 segment 為單位裝載到內(nèi)存，最后在裝載到內(nèi)存的 SO 中找到program header，方便之后的鏈接過程使用。
下面深入 ElfReader 的這幾個成員函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

l 2.2.1 read&verify elfheader

bool ElfReader::ReadElfHeader() {

  ssize_t rc = read(fd_, &header_, sizeof(header_));

  if (rc != sizeof(header_)) {

    return false;

  }

  return true;

}

ReadElfHeader 使用 read 直接從 SO 文件中將 elfheader 讀取 header 中，header_ 為 ElfReader 的成員變量，類型為 Elf32_Ehdr，通過 header 可以方便的訪問 elf header中各個字段，elf header中包含有 program header table、section header table等重要信息。
對 elf header 的驗證包括:

magic字節(jié)

32/64 bit 與當(dāng)前平臺是否一致

大小端

類型:可執(zhí)行文件、SO …

版本:一般為 1，表示當(dāng)前版本

平臺:ARM、x86、amd64 …

有任何錯誤都會導(dǎo)致加載失敗。

l 2.2.2 Read ProgramHeader

bool ElfReader::ReadProgramHeader() {

  phdr_num_ = header_.e_phnum;      // program header 數(shù)量

  // mmap 要求頁對齊

  ElfW(Addr) page_min = PAGE_START(header_.e_phoff);

  ElfW(Addr) page_max = PAGE_END(header_.e_phoff + (phdr_num_ * sizeof(ElfW(Phdr))));

  ElfW(Addr) page_offset = PAGE_OFFSET(header_.e_phoff);

  phdr_size_ = page_max - page_min;

  // 使用 mmap 將 program header 映射到內(nèi)存

  void* mmap_result = mmap(NULL, phdr_size_, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd_, page_min);

  phdr_mmap_ = mmap_result;

  // ElfReader 的成員變量 phdr_table_ 指向program header table

  phdr_table_ = reinterpret_cast<ElfW(Phdr)*>(reinterpret_cast<char*>(mmap_result) + page_offset);

  return true;

}

將 program header 在內(nèi)存中單獨映射一份，用于解析program header 時臨時使用，在 SO 裝載到內(nèi)存后，便會釋放這塊內(nèi)存，轉(zhuǎn)而使用裝載后的 SO 中的program header。

l 2.2.3 reserve space & 計算 load size

bool ElfReader::ReserveAddressSpace(const Android_dlextinfo* extinfo) {

  ElfW(Addr) min_vaddr;

  // 計算 加載SO 需要的空間大小

  load_size_ = phdr_table_get_load_size(phdr_table_, phdr_num_, &min_vaddr);

  // min_vaddr 一般情況為零，如果不是則表明 SO 指定了加載基址

  uint8_t* addr = reinterpret_cast<uint8_t*>(min_vaddr);

  void* start;

  int mmap_flags = MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS;

  start = mmap(addr, load_size_, PROT_NONE, mmap_flags, -1, 0);

  load_start_ = start;

  load_bias_ = reinterpret_cast<uint8_t*>(start) - addr;

  return true;

}

首先調(diào)用 phdr_table_get_load_size 函數(shù)獲取 SO 在內(nèi)存中需要的空間load_size，然后使用 mmap 匿名映射，預(yù)留出相應(yīng)的空間。

關(guān)于loadbias: SO 可以指定加載基址，但是 SO 指定的加載基址可能不是頁對齊的，這種情況會導(dǎo)致實際映射地址和指定的加載地址有一個偏差，這個偏差便是 load_bias_，之后在針對虛擬地址進(jìn)行計算時需要使用 load_bias_ 修正。普通的 SO 都不會指定加載基址，這時min_vaddr = 0，則 load_bias_ = load_start_，即load_bias_ 等于加載基址，下文會將load_bias_ 直接稱為基址。

下面深入phdr_table_get_load_size分析一下 load_size 的計算:使用成員變量 phdr_table 遍歷所有的program header， 找到所有類型為 PT_LOAD 的 segment 的 p_vaddr 的最小值，p_vaddr + p_memsz 的最大值，分別作為 min_vaddr 和 max_vaddr，在將兩個值分別對齊到頁首和頁尾，最終使用對齊后的 max_vaddr - min_vaddr 得到 load_size。

size_t phdr_table_get_load_size(const ElfW(Phdr)* phdr_table, size_t phdr_count,

                                ElfW(Addr)* out_min_vaddr,

                                ElfW(Addr)* out_max_vaddr) {

  ElfW(Addr) min_vaddr = UINTPTR_MAX;

  ElfW(Addr) max_vaddr = 0;

  bool found_pt_load = false;

  for (size_t i = 0; i < phdr_count; ++i) {

    const ElfW(Phdr)* phdr = &phdr_table[i];

    if (phdr->p_type != PT_LOAD) {

      continue;

    }

    found_pt_load = true;

    if (phdr->p_vaddr < min_vaddr) {

      min_vaddr = phdr->p_vaddr;         // 記錄最小的虛擬地址

    }

    if (phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz > max_vaddr) {

      max_vaddr = phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz;  // 記錄最大的虛擬地址

    }

  }

  if (!found_pt_load) {

    min_vaddr = 0;

  }

  min_vaddr = PAGE_START(min_vaddr);      // 頁對齊

  max_vaddr = PAGE_END(max_vaddr);      // 頁對齊

  if (out_min_vaddr != NULL) {

    *out_min_vaddr = min_vaddr;

  }

  if (out_max_vaddr != NULL) {

    *out_max_vaddr = max_vaddr;

  }

  return max_vaddr - min_vaddr;         // load_size = max_vaddr - min_vaddr

}

l 2.2.4 Load Segments

遍歷 program header table，找到類型為 PT_LOAD 的 segment:

00001. 計算 segment 在內(nèi)存空間中的起始地址 segstart 和結(jié)束地址 seg_end，seg_start 等于虛擬偏移加上基址load_bias，同時由于 mmap 的要求，都要對齊到頁邊界得到 seg_page_start 和 seg_page_end。

00002. 計算 segment 在文件中的頁對齊后的起始地址 file_page_start 和長度 file_length。

00003. 使用 mmap 將 segment 映射到內(nèi)存，指定映射地址為 seg_page_start，長度為 file_length，文件偏移為 file_page_start。

bool ElfReader::LoadSegments() {

  for (size_t i = 0; i < phdr_num_; ++i) {

    const ElfW(Phdr)* phdr = &phdr_table_[i];

    if (phdr->p_type != PT_LOAD) {

      continue;

    }

    // Segment 在內(nèi)存中的地址.

    ElfW(Addr) seg_start = phdr->p_vaddr + load_bias_;

    ElfW(Addr) seg_end   = seg_start + phdr->p_memsz;

    ElfW(Addr) seg_page_start = PAGE_START(seg_start);

    ElfW(Addr) seg_page_end   = PAGE_END(seg_end);

    ElfW(Addr) seg_file_end   = seg_start + phdr->p_filesz;

    // 文件偏移

    ElfW(Addr) file_start = phdr->p_offset;

    ElfW(Addr) file_end   = file_start + phdr->p_filesz;

    ElfW(Addr) file_page_start = PAGE_START(file_start);

    ElfW(Addr) file_length = file_end - file_page_start;

    if (file_length != 0) {

      // 將文件中的 segment 映射到內(nèi)存

      void* seg_addr = mmap(reinterpret_cast<void*>(seg_page_start),

                            file_length,

                            PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),

                            MAP_FIXED|MAP_PRIVATE,

                            fd_,

                            file_page_start);

    }

    // 如果 segment 可寫, 并且沒有在頁邊界結(jié)束，那么就將 segemnt end 到頁邊界的內(nèi)存清零。

    if ((phdr->p_flags & PF_W) != 0 && PAGE_OFFSET(seg_file_end) > 0) {

      memset(reinterpret_cast<void*>(seg_file_end), 0, PAGE_SIZE - PAGE_OFFSET(seg_file_end));

    }

    seg_file_end = PAGE_END(seg_file_end);

    // 將 (內(nèi)存長度 - 文件長度) 對應(yīng)的內(nèi)存進(jìn)行匿名映射

    if (seg_page_end > seg_file_end) {

      void* zeromap = mmap(reinterpret_cast<void*>(seg_file_end),

                           seg_page_end - seg_file_end,

                           PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),

                           MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE,

                           -1,

                           0);

    }

  }

  return true;

}

2.3 分配 soinfo

load_library 在調(diào)用 load_segments 完成裝載后，接著調(diào)用 soinfo_alloc 函數(shù)為目標(biāo)SO分配soinfo，soinfo_alloc 函數(shù)實現(xiàn)如下:

static soinfo* soinfo_alloc(const char* name, struct stat* file_stat) {

  soinfo* si = g_soinfo_allocator.alloc();  //分配空間，可以簡單理解為 malloc

  // Initialize the new element.

  memset(si, 0, sizeof(soinfo));

  strlcpy(si->name, name, sizeof(si->name));

  si->flags = FLAG_NEW_SOINFO;

  sonext->next = si;    // 加入到存有所有 soinfo 的鏈表中

  sonext = si;

  return si;

}

Linker 為 每個 SO 維護(hù)了一個soinfo結(jié)構(gòu)，調(diào)用 dlopen時，返回的句柄其實就是一個指向該 SO 的 soinfo 指針。soinfo 保存了 SO 加載鏈接以及運行期間所需的各類信息，簡單列舉一下:

裝載鏈接期間主要使用的成員:

· 裝載信息

const ElfW(Phdr)* phdr;

size_t phnum;

ElfW(Addr) base;

size_t size;

· 符號信息

const char* strtab;

ElfW(Sym)* symtab;

· 重定位信息

ElfW(Rel)* plt_rel;

size_t plt_rel_count;

ElfW(Rel)* rel;

size_t rel_count;

· init 函數(shù)和 finit 函數(shù)

Linker_function_t* init_array;

size_t init_array_count;

Linker_function_t* fini_array;

size_t fini_array_count;

Linker_function_t init_func;

Linker_function_t fini_func;

運行期間主要使用的成員:

導(dǎo)出符號查找（dlsym）:

const char* strtab;

ElfW(Sym)* symtab;

size_t nbucket;

size_t nchain;

unsigned* bucket;

unsigned* chain;

ElfW(Addr) load_bias;

· 異常處理:

unsigned* ARM_exidx;

size_t ARM_exidx_count;

load_library 在為 SO 分配 soinfo 后，會將裝載結(jié)果更新到 soinfo 中，后面的鏈接過程就可以直接使用soinfo的相關(guān)字段去訪問 SO 中的信息。

    ...

    si->base = elf_reader.load_start();

    si->size = elf_reader.load_size();

    si->load_bias = elf_reader.load_bias();

    si->phnum = elf_reader.phdr_count();

    si->phdr = elf_reader.loaded_phdr();

    ...