【腾讯Bugly干货分享】Android Linker 与 SO 加壳技术

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作者：王赛

1. 前言

Android 系统安全愈发重要，像传统pc安全的可执行文件加固一样，应用加固是Android系统安全中非常重要的一环。目前Android 应用加固可以分为dex加固和Native加固，Native 加固的保护对象为 Native 层的 SO 文件，使用加壳、反调试、混淆、VM 等手段增加SO文件的反编译难度。目前最主流的 SO 文件保护方案还是加壳技术， 在SO文件加壳和脱壳的攻防技术领域，最重要的基础的便是对于 Linker 即装载链接机制的理解。对于非安全方向开发者，深刻理解系统的装载与链接机制也是进阶的必要条件。

本文详细分析了 Linker 对 SO 文件的装载和链接过程，最后对 SO 加壳的关键技术进行了简要的介绍。

对于 Linker 的学习，还应该包括 Linker 自举、可执行文件的加载等技术，但是限于本人的技术水平，本文的讨论范围限定在 SO 文件的加载，也就是在调用dlopen("libxx.SO")之后，Linker 的处理过程。

本文基于 Android 5.0 AOSP 源码，仅针对 ARM 平台，为了增强可读性，文中列举的源码均经过删减，去除了其他 CPU 架构的相关源码以及错误处理。

P.S. :阅读本文的读者需要对 ELF 文件结构有一定的了解。

2. SO 的装载与链接

2.1 整体流程说明

1. do_dlopen
调用 dl_open 后，中间经过 dlopen_ext, 到达第一个主要函数 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 SOif (si != NULL) {si->CallConstructors(); // 调用 SO 的 init 函数}protect_data(PROT_READ);return si;
}

do_dlopen 调用了两个重要的函数，第一个是find_library, 第二个是 soinfo 的成员函数 CallConstructors，find_library 函数是 SO 装载链接的后续函数， 完成 SO 的装载链接后， 通过 CallConstructors 调用 SO 的初始化函数。

2. find_library_internal
find_library 直接调用了 find_library_internal，下面直接看 find_library_internal函数:

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);  // 判断 SO 是否已经加载if (si == NULL) {TRACE("[ '%s' has not been found by name.  Trying harder...]", name);si = load_library(name, dlflags, extinfo);     // 继续 SO 的加载流程}if (si != NULL && (si->flags & FLAG_LINKED) == 0) {DL_ERR("recursive link to \"%s\"", si->name);return NULL;}return si;
}

find_library_internal 首先通过 find_loaded_library_by_name 函数判断目标 SO 是否已经加载，如果已经加载则直接返回对应的soinfo指针，没有加载的话则调用 load_library 继续加载流程，下面看 load_library 函数。

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);                // 打开 SO 文件，获得文件描述符 fdElfReader elf_reader(name, fd);         // 创建 ElfReader 对象...// Read the ELF header and load the segments.if (!elf_reader.Load(extinfo)) {        // 使用 ElfReader 的 Load 方法，完成 SO 装载return NULL;}soinfo* si = soinfo_alloc(SEARCH_NAME(name), &file_stat);  // 为 SO 分配新的 soinfo 结构if (si == NULL) {return NULL;}si->base = elf_reader.load_start();  // 根据装载结果，更新 soinfo 的成员变量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)) {  // 调用 soinfo_link_image 完成 SO 的链接过程soinfo_free(si);return NULL;}return si;
}

load_library 函数呈现了 SO 装载链接的整个流程，主要有3步:
1. 装载:创建ElfReader对象，通过 ElfReader 对象的 Load 方法将 SO 文件装载到内存
2. 分配soinfo:调用 soinfo_alloc 函数为 SO 分配新的 soinfo 结构，并按照装载结果更新相应的成员变量
3. 链接: 调用 soinfo_link_image 完成 SO 的链接

通过前面的分析，可以看到， load_library 函数中包含了 SO 装载链接的主要过程, 后文主要通过分析 ElfReader 类和 soinfo_link_image 函数, 来分别介绍 SO 的装载和链接过程。

2.2 装载

在 load_library 中， 首先初始化 elf_reader 对象, 第一个参数为 SO 的名字， 第二个参数为文件描述符 fd:
ElfReader elf_reader(name, fd)
之后调用 ElfReader 的 load 方法装载 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() &&             // 读取 elf headerVerifyElfHeader() &&           // 验证 elf headerReadProgramHeader() &&         // 读取 program headerReserveAddressSpace(extinfo) &&// 分配空间LoadSegments() &&              // 按照 program header 指示装载 segmentsFindPhdr();                    // 找到装载后的 phdr 地址
}

ElfReader::Load 方法首先读取 SO 的elf header，再对elf header进行验证，之后读取program header，根据program header 计算 SO 需要的内存大小并分配相应的空间，紧接着将 SO 按照以 segment 为单位装载到内存，最后在装载到内存的 SO 中找到program header，方便之后的链接过程使用。
下面深入 ElfReader 的这几个成员函数进行详细介绍。

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 直接从 SO 文件中将 elf_header 读取 header_ 中，header_ 为 ElfReader 的成员变量，类型为 Elf32_Ehdr，通过 header 可以方便的访问 elf header中各个字段，elf header中包含有 program header table、section

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