Android安全IO监控之性能监控

背景

公司的一款app最近在上架厂商的过程中，被对方指出了IO读写过于频繁，然后不给上架。但是IO读写的操作非常零散,而且很多第三方框架内都会有写入操作，所以就变得非常难以监控和修改，有没有一种非常简单的方式可以帮助我们去定位这个问题呢？

之后我参考了下腾讯的 Matrix 的IOCanary监控组件,其原理是通过hook(ELF hook)的机制，hook 了 IO的读取/写入的操作，然后打印出调用堆栈，从而帮助开发同学定位问题。

一般来说，一套Apm(Application Performance Monitor)系统是要分成多个部分的，比如开发阶段工具，测试阶段工具以及线上收集数据等等。而IO监控则是其中的开发测试阶段工具。

IOCanary 原理分析

在开始接介绍IOCanary之前，我们要先介绍一些奇怪的黑科技，通过这些东西我们才能完成IO监控系统，而且能讲明白到底IOCanary是如何实现的。

动态Hook

提到这个的话，大家可能以为我要写什么Aop切片啥的。但是不好意思你猜错了，还有很多别的手段可以去做无插入式的Hook代码调用的操作的。Aop切片毕竟还是要做字节码修改操作，同时作为一个调试工具的话，的确是有点太复杂了。

简单的介绍下动态Hook,我们可以通过Art虚拟机的机制，在一个方法调用的前后进行钩子操作，然后进行我们所需要的一些动态的监控的操作，已达到我们对于代码的动态监控能力。由于Hook在的是虚拟机层面，所以能监控的就不仅仅只是我们自己的代码，所有第三方库甚至源代码的调用都可以进行Hook。

比如 Xposed 也可以做到在安卓上的动态Hook,
,而听说腾讯的IOCanary则是参考了爱奇艺的 xHook 的原理。

从上面讲述的ART方法调用原理可以得到一种很自然的Hook办法————直接替换entrypoint。通过把原方法对应的ArtMethod对象的entrypoint替换为目标方法的entrypoint，可以使得原方法被调用过程中取entrypoint的时候拿到的是目标方法的entry，进而直接跳转到目标方法的code段；从而达到Hook的目的。

上述是对Epic的介绍啊，有兴趣的可以直接看下这篇文章。我为Dexposed续一秒——论ART上运行时 Method AOP实现。这篇文章是作者自己分享的，有对其中的原理进行了一次介绍，但是这部分我并没有看懂。作为一个菜逼Android，我还是采取了OOP思想，毕竟这方面门槛太高了，而我则是能用就行了（手动狗头保命）。

IOCanary监控

监控IO是不是意味着只需要有方法能监控到文件的写入读取流就可以了呢？我们先简单的看下腾讯的Matrix的IOCanary是如何实现的。

采用 hook(ELF hook) 的方案收集IO信息，代码无侵入，从而使得开发者可以无感知接入。方案主要通过 hook os posix
的四个关键的文件操作接口：

1int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);//成功时返回值就是fd
2ssize_t read(int fd, void *buf, size_t size);
3ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t size);
4int close(int fd);

以上看到，通过 hook 这几个接口，可以拿到大部分关键操作信息。这里举 open 的例子介绍下原理，简单起见，只结合 Android M
的代码以及大家最常用的 FileInputStream 分析。关键要找到 posix open 是在哪里被调用。由上往下列了大致的调用关系：

1java : FileInputStream -> IoBridge.open -> Libcore.os.open 
2-> BlockGuardOs.open -> Posix.open
3                             ↓
4jni : libcore_io_Posix.cpp 
5static jobject Posix_open(...) {
6    ...
7    int fd = throwIfMinusOne(env, "open", TEMP_FAILURE_RETRY(open(path.c_str(), flags, mode)));
8    ...
9}

以上看到， android 框架的 FileInputStream ，最终是在 libcore_io_Posix.cpp
那里调到了posix的open接口。那么再找它被编到哪个 so ，查阅源码对应的 NativeCode.mk ，得到LOCAL_MODULE := libjavacore

于是只要 hook libjavacore.so 的 open 符号就 ok 了。找到 hook 目标 so 的目的是把 hook
的影响范围尽可能地降到最小。同样， write，read，close 也是大同小异。不同的 Android 版本会有些坑需要填，这里不细述，
目前兼容到Android P。

由此便可以收集到应用在文件读写时的相关信息：文件路径、fd、buffer 大小等，并可以统计耗时、操作次数等。基于这些信息，就可以设定一些策略进行检测判断。

其中C++的代码基本就是采用了 xhook 的类似。比较方便我们学习的是io_canary_jni.cc这个类。

 1namespace iocanary {
 2    // hook 这三个核心的so包，其中所有的IO流式操作全部在这三个SO中。
 3    const static char *TARGET_MODULES[] = {
 4            "libopenjdkjvm.so",
 5            "libjavacore.so",
 6            "libopenjdk.so"
 7    };
 8
 9    // hook 流的open操作
10      int ProxyOpen(const char *pathname, int flags, mode_t mode) {
11        ...
12    }
13
14    // jni 开启动态hook 通过xhook， hook住 io 打开写入关闭等操作
15    Java_com_bilibili_apm_io_core_IOCanaryJniBridge_doHook(JNIEnv *env, jclass type) {
16        __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, kTag, "doHook");
17
18        for (int i = 0; i < TARGET_MODULE_COUNT; ++i) {
19            const char *so_name = TARGET_MODULES[i];
20            __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, kTag, "try to hook function in %s.", so_name);
21            // 将上面需要hook的so包内传递给xhook
22            void *soinfo = xhook_elf_open(so_name);
23            if (!soinfo) {
24                __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN, kTag, "Failure to open %s, try next.",
25                                    so_name);
26                continue;
27            }
28            // io 打开操作 并代理成当前类的自定义方法
29            xhook_hook_symbol(soinfo, "open", (void *) ProxyOpen, (void **) &original_open);
30            xhook_hook_symbol(soinfo, "open64", (void *) ProxyOpen64, (void **) &original_open64);
31
32            bool is_libjavacore = (strstr(so_name, "libjavacore.so") != nullptr);
33            if (is_libjavacore) {
34                // hook read 操作
35                if (xhook_hook_symbol(soinfo, "read", (void *) ProxyRead,
36                                      (void **) &original_read) != 0) {
37                    __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN, kTag,
38                                        "doHook hook read failed, try __read_chk");
39                    if (xhook_hook_symbol(soinfo, "__read_chk", (void *) ProxyReadChk,
40                                          (void **) &original_read_chk) != 0) {
41                        __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN, kTag,
42                                            "doHook hook failed: __read_chk");
43                        xhook_elf_close(soinfo);
44                        return JNI_FALSE;
45                    }
46                }
47                // hook 写入操作
48                if (xhook_hook_symbol(soinfo, "write", (void *) ProxyWrite,
49                                      (void **) &original_write) != 0) {
50                    __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN, kTag,
51                                        "doHook hook write failed, try __write_chk");
52                    if (xhook_hook_symbol(soinfo, "__write_chk", (void *) ProxyWriteChk,
53                                          (void **) &original_write_chk) != 0) {
54                        __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN, kTag,
55                                            "doHook hook failed: __write_chk");
56                        xhook_elf_close(soinfo);
57                        return JNI_FALSE;
58                    }
59                }
60            }
61            //hook 关闭操作
62            xhook_hook_symbol(soinfo, "close", (void *) ProxyClose, (void **) &original_close);
63
64            xhook_elf_close(soinfo);
65        }
66
67        __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, kTag, "doHook done.");
68        return JNI_TRUE;
69    }
70}

上面是腾讯的Matrix的官方说明啊，我只是简单的copy了一下。其实原理就和我们一开始介绍的Epic框架基本类似，通过动态Hook底层的实现的方式，让我们可以对于某些方法进行动态的监控。

这里给大家简单的列一下sdk整体流程：

1.初始化IOCanaryJniBridge，然后完成基础初始化。

2.JNI调用Native xhook的代码，hook原生so
libopenjdkjvm.so,libjavacore.so,libopenjdk.so 的open write read close方法。

1. 当读写操作被调用之后，通过jni native调用java方法记录。

2. 当close方法被触发之后，记录一个io数据结构。

在IOCanary的基础上进行二次封装

Matrix的IOCanary由于只兼容到Android9版本，所以我们在实际的使用中其实碰到了很多问题。同时由于hook的不安全性和不稳定性，建议各位不要把这种功能带到线上去，而是在为debug版本的一个调试能力存在。

我们在实际使用中IOCanary只监控了主线程的IO读写操作，并不足矣帮助我们去定位项目内的所有IO读写操作，所以我们队其进行了二次开发操作。

1. 去除掉线程判断逻辑

2. 把IO的堆栈从close，变更到open操作中

3. 在java层汇总所有的流写入操作，然后统一对写入大小进行计算。

移除主线程判断

 1    ssize_t ProxyWriteChk(int fd, const void *buf, size_t count, size_t buf_size) {
 2      /*  if (!IsMainThread()) {
 3            return original_write_chk(fd, buf, count, buf_size);
 4        }*/
 5
 6        int64_t start = GetTickCountMicros();
 7
 8        ssize_t ret = original_write_chk(fd, buf, count, buf_size);
 9
10        long write_cost_us = GetTickCountMicros() - start;
11
12        __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, kTag,
13                            "ProxyWrite fd:%d buf:%p size:%d ret:%d cost:%d", fd, buf, buf_size,
14                            ret,
15                            write_cost_us);
16
17        iocanary::IOCanary::Get().OnWrite(fd, buf, count, ret, write_cost_us);
18
19        return ret;
20    }

在io_canary_jni.cc的c++代码中，我们只要简单的把几个proxy方法中的线程检查逻辑屏蔽掉即可。这样就可以获取到所有线程下IO操作了。

堆栈打印

Matrix的IOCanary中，有个IOCanaryJniBridge，这个就是其中的jni调用的类。他还有另外一个功能，就是把hook到的IO操作中的堆栈进行转化。

首先内部定义了一个实体类，这个类在构造的时候会抛出一个异常，其实这个异常就是负责获取到当前IO操作的堆栈信息的。因为代码的调用顺序其实是会被收集在线程内部的，而这个构造则是在我们IO监控的Open方法内被执行的。

 1    private static final class JavaContext {
 2        private final String stack;
 3        private String threadName;
 4
 5        private JavaContext() {
 6            stack = IOCanaryUtil.getThrowableStack(new Throwable());
 7            if (null != Thread.currentThread()) {
 8                threadName = Thread.currentThread().getName();
 9            }
10            HasakiLog.i(TAG, "JavaContext:" + threadName);
11        }
12    }

Matrix的IOCanary是在一个流Close的时候才会将JavaContext对象上报，其中才会有内存的堆栈，但是我们在实际的测试中发现，在高版本的设备上xHook的IO
close操作并没有被很好的触发，这块我真的不是特别擅长，所以我们在构造的时候就对堆栈进行了打印。

大小计算调整

由于实际开发中，我们碰到了很多设备由于Close函数没有触发，导致了IO监控数据不准确的问题。我们在write函数增加了额外的jni调用。

 1// 声明 writeFrame方法
 2 static jmethodID kMethodIDWriteFrame;
 3
 4 // 通过jni 获取到java 类的writeFrame方法
 5 kMethodIDWriteFrame = env->GetStaticMethodID(kJavaBridgeClass, "writeFrame",
 6                                                     "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V");
 7
 8 void writeFrame(int frame, long size) {
 9        JNIEnv *env = NULL;
10        // 判断实例是否存在 
11        kJvm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_6);
12        if (env == NULL || !kInitSuc) {
13            __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, kTag, "writeFrame env null or kInitSuc:%d",
14                                kInitSuc);
15        } else {
16            // 将写入时间 和写入大小调用java方法记录
17            __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, kTag,
18                                "writeFrame  size:%d frame:%d", size, frame);
19            char charSize[256];
20            char charFrame[256];
21            sprintf(charSize, "%d", size);
22            sprintf(charFrame, "%d", frame);
23            jstring str1 = env->NewStringUTF(charFrame);
24            jstring str2 = env->NewStringUTF(charSize);
25            env->CallStaticVoidMethod(kJavaBridgeClass, kMethodIDWriteFrame, str1, str2);
26        }
27    }

我们在proxyWrite方法内进行了一部分改造，将所有的写入大小和时间等在java层进行汇总计算。由于写入放开了线程的限制，所以我们把这部分记录操作放在了一个 Executors.newSingleThreadExecutor()中记录。

总结

作为一个c++菜鸡来说，现在也只是会使用这些hook框架，但是其中原理和如何优化之类的，还是一头雾水。改完了这个监控之后，起码让我对JNI调用有了一个比较深入的了解，但是还是要感慨一句，水太深了，不要欺负我7年老安卓，so的一下实在太快了。

https://github.com/iqiyi/xHook

https://github.com/Tencent/matrix

作者:究极逮虾户 

来源:https://juejin.cn/post/6900810600188739592

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