使用ptrace向已运行进程中注入.so并执行相关函数

这个总结的很好，从前一个项目也用到这中技术

转自：http://blog.csdn.net/myarrow/article/details/9630377

1. 简介

使用ptrace向已运行进程中注入.so并执行相关函数，其中的“注入”二字的真正含义为：此.so被link到已运行进程（以下简称为：目标进程）空间中，从而.so中的函数在目标进程空间中有对应的地址，然后通过此地址便可在目标进程中进行调用。

到底是如何注入的呢？

本文实现方案为：在目标进程中，通过dlopen把需要注入的.so加载到目标进程的空间中。

2. 如何让目标进程执行dlopen加载.so?

显然，目标进程本来是没有实现通过dlopen来加载我们想注入的.so，为了实现此功能，我们需要目标进程执行一段我们实现的代码，此段代码的功能为通过dlopen来加载一个.so。

3. 【加载.so的实现代码】

加载需要注入的.so的实现代码如下所示：

1. .global _dlopen_addr_s       @dlopen函数在目标进程中的地址     注：以下全局变化在C中可读写
2. .global _dlopen_param1_s     @dlopen参数1<.so>在目标进程中的地址
3. .global _dlopen_param2_s     @dlopen参数2在目标进程中的地址
4. .global _dlsym_addr_s        @dlsym函数在目标进程中的地址
5. .global _dlsym_param2_s      @dlsym参数2在目标进程中的地址，其实为函数名
6. .global _dlclose_addr_s      @dlcose在目标进程中的地址
7. .global _inject_start_s      @汇编代码段的起始地址
8. .global _inject_end_s        @汇编代码段的结束地址
9. .global _inject_function_param_s  @hook_init参数在目标进程中的地址
10. .global _saved_cpsr_s        @保存CPSR，以便执行完hook_init之后恢复环境
11. .global _saved_r0_pc_s       @保存r0-r15，以便执行完hook_init之后恢复环境
12. .data
13. _inject_start_s:
14. @ debug loop
15. 3:
16. @sub r1, r1, #0
17. @B 3b
18. @ dlopen
19. ldr r1, _dlopen_param2_s        @设置dlopen第二个参数, flag
20. ldr r0, _dlopen_param1_s        @设置dlopen第一个参数 .so
21. ldr r3, _dlopen_addr_s          @设置dlopen函数
22. blx r3                          @执行dlopen函数,返回值位于r0中
23. subs r4, r0, #0                 @把dlopen的返回值soinfo保存在r4中，以方便后面dlclose使用
24. beq 2f
25. @dlsym
26. ldr r1, _dlsym_param2_s        @设置dlsym第二个参数，第一个参数已经在r0中了
27. ldr r3, _dlsym_addr_s          @设置dlsym函数
28. blx r3                         @执行dlsym函数，返回值位于r0中
29. subs r3, r0, #0                @把返回值<hook_init在目标进程中的地址>保存在r3中
30. beq 1f
31. @call our function
32. ldr r0, _inject_function_param_s  @设置hook_init第一个参数
33. blx r3                            @执行hook_init
34. subs r0, r0, #0
35. beq 2f
36. 1:
37. @dlclose
38. mov r0, r4                        @把dlopen的返回值设为dlcose的第一个参数
39. ldr r3, _dlclose_addr_s           @设置dlclose函数
40. blx r3                            @执行dlclose函数
41. 2:
42. @restore context
43. ldr r1, _saved_cpsr_s             @恢复CPSR
44. msr cpsr_cf, r1
45. ldr sp, _saved_r0_pc_s            @恢复寄存器r0-r15
46. ldmfd sp, {r0-pc}
47. _dlopen_addr_s:                           @初始化_dlopen_addr_s
48. .word 0x11111111
49. _dlopen_param1_s:
50. .word 0x11111111
51. _dlopen_param2_s:
52. .word 0x2                                 @RTLD_GLOBAL
53. _dlsym_addr_s:
54. .word 0x11111111
55. _dlsym_param2_s:
56. .word 0x11111111
57. _dlclose_addr_s:
58. .word 0x11111111
59. _inject_function_param_s:
60. .word 0x11111111
61. _saved_cpsr_s:
62. .word 0x11111111
63. _saved_r0_pc_s:
64. .word 0x11111111
65. _inject_end_s:                     @代码结束地址
66. .space 0x400, 0                    @代码段空间大小
67. .end

4. 如何把【加载.so的实现代码】写入目标进程并启动执行？

为了把【加载.so的实现代码】写入目标进程，主要有以下两步操作：

1) 在目标进程中找到存放【加载.so的实现代码】的空间(通过mmap实现)

2) 把【加载.so的实现代码】写入目标进程指定的空间

3) 启动执行

4.1 在目标进程中找到存放【加载.so的实现代码】的空间

通过mmap来实现，其实现步骤如下：

1) 获取目标进程中mmap地址
   2) 把mmap参数据放入r0-r3,另外两个写入目标进程sp 
   3) pc设置为mmap地址，lr设置为0
   4) 把准备好的寄存器写入目标进程(PTRACE_SETREGS),并启动目标进程运行(PTRACE_CONT)
   5) 分配的内存首地址位于r0 (PTRACE_GETREGS)

4.2 为【加载.so的实现代码】中的全局变量赋值

1) 获取目标进程中dlopen地址并赋值给_dlopen_addr_s

2) 获取目标进程中dlsym地址并赋值给_dlsym_addr_s

3) 获取目标进程中dlclose地址并赋值给_dlclose_addr_s

4) 把需要加载的.so的路径放入 汇编代码中，并获取此路径在目标进程中的地址然后赋值给_dlopen_param1_s

5) 把需要加载的.so中的hook_init放入 汇编代码中，并获取此路径在目标进程中的地址然后赋值给_dlsym_param2_s

6) 把目标进程中的cpsr保存在_saved_cpsr_s中

7) 把目标进程中的r0-r15存入汇编代码中，并获取此变量在目标进程中的地址然后赋值给_saved_r0_pc_s

8) 通过ptrace( PTRACE_POKETEXT,...)把汇编代码写入目标进程中，起始地址由前面的mmap所分配

9) 把目标进程的pc设置为汇编代码的起始地址，然后调用ptrace(PTRACE_DETACH,...)以启动目标进程执行

5. 把汇编代码写入目标进程并执行的实现代码

5.1 主函数 writecode_to_targetproc

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <asm/ptrace.h>
4. #include <asm/user.h>
5. #include <asm/ptrace.h>
6. #include <sys/wait.h>
7. #include <sys/mman.h>
8. #include <dlfcn.h>
9. #include <dirent.h>
10. #include <unistd.h>
11. #include <string.h>
12. #include <android/log.h>
13. #include <sys/types.h>
14. #include <sys/socket.h>
15. #include <netinet/in.h>
16. #include <sys/stat.h>
17. #define MAX_PATH 0x100
18. #define REMOTE_ADDR( addr, local_base, remote_base ) ( (uint32_t)(addr) + (uint32_t)(remote_base) - (uint32_t)(local_base) )
19. /* write the assembler code into target proc,
20. * and invoke it to execute
21. */
22. int writecode_to_targetproc(
23. pid_t target_pid, // target process pid
24. const char *library_path, // the path of .so that will be
25. // upload to target process
26. const char *function_name, // .so init fucntion e.g. hook_init
27. void *param, // the parameters of init function
28. size_t param_size ) // number of parameters
29. {
30. int ret = -1;
31. void *mmap_addr, *dlopen_addr, *dlsym_addr, *dlclose_addr;
32. void *local_handle, *remote_handle, *dlhandle;
33. uint8_t *map_base;
34. uint8_t *dlopen_param1_ptr, *dlsym_param2_ptr, *saved_r0_pc_ptr, *inject_param_ptr, *remote_code_ptr, *local_code_ptr;
35. struct pt_regs regs, original_regs;
36. // extern global variable in the assembler code
37. extern uint32_t _dlopen_addr_s, _dlopen_param1_s, _dlopen_param2_s, \
38. _dlsym_addr_s, _dlsym_param2_s, _dlclose_addr_s, \
39. _inject_start_s, _inject_end_s, _inject_function_param_s, \
40. _saved_cpsr_s, _saved_r0_pc_s;
41. uint32_t code_length;
42. long parameters[10];
43. // make target_pid as its child process and stop
44. if ( ptrace_attach( target_pid ) == -1 )
45. return -1;
46. // get the values of 18 registers from target_pid
47. if ( ptrace_getregs( target_pid, ®s ) == -1 )
48. goto exit;
49. // save original registers
50. memcpy( &original_regs, ®s, sizeof(regs) );
51. // get mmap address from target_pid
52. // the mmap is the address of mmap in the cur process
53. mmap_addr = get_remote_addr( target_pid, "/system/lib/libc.so", (void *)mmap );
54. // set mmap parameters
55. parameters[0] = 0;  // addr
56. parameters[1] = 0x4000; // size
57. parameters[2] = PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC;  // prot
58. parameters[3] =  MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE; // flags
59. parameters[4] = 0; //fd
60. parameters[5] = 0; //offset
61. // execute the mmap in target_pid
62. if ( ptrace_call( target_pid, (uint32_t)mmap_addr, parameters, 6, ®s ) == -1 )
63. goto exit;
64. // get the return values of mmap <in r0>
65. if ( ptrace_getregs( target_pid, ®s ) == -1 )
66. goto exit;
67. // get the start address for assembler code
68. map_base = (uint8_t *)regs.ARM_r0;
69. // get the address of dlopen, dlsym and dlclose in target process
70. dlopen_addr = get_remote_addr( target_pid, "/system/bin/linker", (void *)dlopen );
71. dlsym_addr = get_remote_addr( target_pid, "/system/bin/linker", (void *)dlsym );
72. dlclose_addr = get_remote_addr( target_pid, "/system/bin/linker", (void *)dlclose );
73. // set the start address for assembler code in target process
74. remote_code_ptr = map_base + 0x3C00;
75. // set the start address for assembler code in cur process
76. local_code_ptr = (uint8_t *)&_inject_start_s;
77. // set global variable of assembler code
78. // and these address is in the target process
79. _dlopen_addr_s = (uint32_t)dlopen_addr;
80. _dlsym_addr_s = (uint32_t)dlsym_addr;
81. _dlclose_addr_s = (uint32_t)dlclose_addr;
82. code_length = (uint32_t)&_inject_end_s - (uint32_t)&_inject_start_s;
83. dlopen_param1_ptr = local_code_ptr + code_length + 0x20;
84. dlsym_param2_ptr = dlopen_param1_ptr + MAX_PATH;
85. saved_r0_pc_ptr = dlsym_param2_ptr + MAX_PATH;
86. inject_param_ptr = saved_r0_pc_ptr + MAX_PATH;
87. // save library path to assembler code global variable
88. strcpy( dlopen_param1_ptr, library_path );
89. _dlopen_param1_s = REMOTE_ADDR( dlopen_param1_ptr, local_code_ptr, remote_code_ptr );
90. // save function name to assembler code global variable
91. strcpy( dlsym_param2_ptr, function_name );
92. _dlsym_param2_s = REMOTE_ADDR( dlsym_param2_ptr, local_code_ptr, remote_code_ptr );
93. // save cpsr to assembler code global variable
94. _saved_cpsr_s = original_regs.ARM_cpsr;
95. // save r0-r15 to assembler code global variable
96. memcpy( saved_r0_pc_ptr, &(original_regs.ARM_r0), 16 * 4 ); // r0 ~ r15
97. _saved_r0_pc_s = REMOTE_ADDR( saved_r0_pc_ptr, local_code_ptr, remote_code_ptr );
98. // save function parameters to assembler code global variable
99. memcpy( inject_param_ptr, param, param_size );
100. _inject_function_param_s = REMOTE_ADDR( inject_param_ptr, local_code_ptr, remote_code_ptr );
101. // write the assembler code into target process
102. // now the values of global variable is in the target process space
103. ptrace_writedata( target_pid, remote_code_ptr, local_code_ptr, 0x400 );
104. memcpy( ®s, &original_regs, sizeof(regs) );
105. // set sp and pc to the start address of assembler code
106. regs.ARM_sp = (long)remote_code_ptr;
107. regs.ARM_pc = (long)remote_code_ptr;
108. // set registers for target process
109. ptrace_setregs( target_pid, ®s );
110. // make the target_pid is not a child process of cur process
111. // and make target_pid continue to running
112. ptrace_detach( target_pid );
113. // now finish it successfully
114. ret = 0;
115. exit:
116. return ret;
117. }

5.2 attach目标进程ptrace_attach

1. int ptrace_attach( pid_t pid )
2. {
3. // after PTRACE_ATTACH, the proc<pid> will stop
4. if ( ptrace( PTRACE_ATTACH, pid, NULL, 0  ) < 0 )
5. {
6. perror( "ptrace_attach" );
7. return -1;
8. }
9. // wait proc<pid> stop
10. waitpid( pid, NULL, WUNTRACED );
11. // after PTRACE_SYSCALL, the proc<pid> will continue,
12. // but when exectue sys call function, proc<pid> will stop
13. if ( ptrace( PTRACE_SYSCALL, pid, NULL, 0  ) < 0 )
14. {
15. perror( "ptrace_syscall" );
16. return -1;
17. }
18. // wait proc<pid> stop
19. waitpid( pid, NULL, WUNTRACED );
20. return 0;
21. }

5.3 获取目标进程寄存器值ptrace_getregs

1. int ptrace_getregs( pid_t pid, struct pt_regs* regs )
2. {
3. if ( ptrace( PTRACE_GETREGS, pid, NULL, regs ) < 0 )
4. {
5. perror( "ptrace_getregs: Can not get register values" );
6. return -1;
7. }
8. return 0;
9. }

5.4 获取目标进程中指定模块中指定函数的地址get_remote_addr

1. /* find the start address of module whose name is module_name
2. * in the designated process
3. */
4. void* get_module_base( pid_t pid, const char* module_name )
5. {
6. FILE *fp;
7. long addr = 0;
8. char *pch;
9. char filename[32];
10. char line[1024];
11. if ( pid < 0 )
12. {
13. /* self process */
14. snprintf( filename, sizeof(filename), "/proc/self/maps", pid );
15. }
16. else
17. {
18. snprintf( filename, sizeof(filename), "/proc/%d/maps", pid );
19. }
20. fp = fopen( filename, "r" );
21. if ( fp != NULL )
22. {
23. while ( fgets( line, sizeof(line), fp ) )
24. {
25. if ( strstr( line, module_name ) )
26. {
27. pch = strtok( line, "-" );
28. addr = strtoul( pch, NULL, 16 );
29. if ( addr == 0x8000 )
30. addr = 0;
31. break;
32. }
33. }
34. fclose( fp ) ;
35. }
36. return (void *)addr;
37. }
38. void* get_remote_addr( pid_t target_pid, const char* module_name, void* local_addr )
39. {
40. void* local_handle, *remote_handle;
41. local_handle = get_module_base( -1, module_name );
42. remote_handle = get_module_base( target_pid, module_name );
43. return (void *)( (uint32_t)local_addr + (uint32_t)remote_handle - (uint32_t)local_handle );
44. }

5.5 在目标进程中执行指定函数ptrace_call

1. int ptrace_call( pid_t pid, uint32_t addr, long *params, uint32_t num_params, struct pt_regs* regs )
2. {
3. uint32_t i;
4. // put the first 4 parameters into r0-r3
5. for ( i = 0; i < num_params && i < 4; i ++ )
6. {
7. regs->uregs[i] = params[i];
8. }
9. // push remained params into stack
10. if ( i < num_params )
11. {
12. regs->ARM_sp -= (num_params - i) * sizeof(long) ;
13. ptrace_writedata( pid, (void *)regs->ARM_sp, (uint8_t *)¶ms[i], (num_params - i) * sizeof(long) );
14. }
15. // set the pc to func <e.g: mmap> that will be executed
16. regs->ARM_pc = addr;
17. if ( regs->ARM_pc & 1 )
18. {
19. /* thumb */
20. regs->ARM_pc &= (~1u);
21. regs->ARM_cpsr |= CPSR_T_MASK;
22. }
23. else
24. {
25. /* arm */
26. regs->ARM_cpsr &= ~CPSR_T_MASK;
27. }
28. // when finish this func, pid will stop
29. regs->ARM_lr = 0;
30. // set the regsister and start to execute
31. if ( ptrace_setregs( pid, regs ) == -1
32. || ptrace_continue( pid ) == -1 )
33. {
34. return -1;
35. }
36. // wait pid finish work and stop
37. waitpid( pid, NULL, WUNTRACED );
38. return 0;
39. }

5.6 把代码写入目标进程指定地址ptrace_writedata

1. int ptrace_writedata( pid_t pid, uint8_t *dest, uint8_t *data, size_t size )
2. {
3. uint32_t i, j, remain;
4. uint8_t *laddr;
5. union u {
6. long val;
7. char chars[sizeof(long)];
8. } d;
9. j = size / 4;
10. remain = size % 4;
11. laddr = data;
12. for ( i = 0; i < j; i ++ )
13. {
14. memcpy( d.chars, laddr, 4 );
15. ptrace( PTRACE_POKETEXT, pid, dest, d.val );
16. dest  += 4;
17. laddr += 4;
18. }
19. if ( remain > 0 )
20. {
21. d.val = ptrace( PTRACE_PEEKTEXT, pid, dest, 0 );
22. for ( i = 0; i < remain; i ++ )
23. {
24. d.chars[i] = *laddr ++;
25. }
26. ptrace( PTRACE_POKETEXT, pid, dest, d.val );
27. }
28. return 0;
29. }

5.7 设置目标进程寄存器ptrace_setregs

1. int ptrace_setregs( pid_t pid, struct pt_regs* regs )
2. {
3. if ( ptrace( PTRACE_SETREGS, pid, NULL, regs ) < 0 )
4. {
5. perror( "ptrace_setregs: Can not set register values" );
6. return -1;
7. }
8. return 0;
9. }

5.8 detach目标进程ptrace_detach

1. int ptrace_detach( pid_t pid )
2. {
3. if ( ptrace( PTRACE_DETACH, pid, NULL, 0 ) < 0 )
4. {
5. perror( "ptrace_detach" );
6. return -1;
7. }
8. return 0;
9. }

6.  需要被加载的.so

需要被加载的.so例子程序如下，其目的是替换目标进程libapp.so中的strlen函数。其主要实现见hook_init。

1. int g_isInit = 0;
2. pthread_t g_hThread;
3. __attribute__((visibility("default"))) void hook_init( char *args )
4. {
5. if( g_isInit == 1 )
6. {
7. printf("i am already in!");
8. return;
9. }
10. void* soHandle = NULL;
11. // the libapp.so is a .so of target process, and it call strcmp
12. soHandle  = dlopen( "libapp.so", RTLD_GLOBAL );
13. if( soHandle != NULL )
14. {
15. g_realstrcmp = NULL;
16. replaceFunc( soHandle, "strcmp", my_strcmp, (void**)&g_realstrcmp );
17. int ret = pthread_create( &g_hThread, NULL, my_thread, NULL );
18. if( ret != 0 )
19. {
20. printf("create thread error:%d", ret );
21. }
22. g_isInit = 1;
23. }
24. }

6.1 替换函数replaceFunc

1. // replace function of libapp.so
2. // e.g: replace strcmp of libapp.so with my_strcmp
3. void replaceFunc(void *handle,const char *name, void* pNewFun, void** pOldFun )
4. {
5. if(!handle)
6. return;
7. soinfo *si = (soinfo*)handle;
8. Elf32_Sym *symtab = si->symtab;
9. const char *strtab = si->strtab;
10. Elf32_Rel *rel = si->plt_rel;
11. unsigned count = si->plt_rel_count;
12. unsigned idx;
13. // these external functions that are called by libapp.so
14. // is in the plt_rel
15. for(idx=0; idx<count; idx++)
16. {
17. unsigned type = ELF32_R_TYPE(rel->r_info);
18. unsigned sym = ELF32_R_SYM(rel->r_info);
19. unsigned reloc = (unsigned)(rel->r_offset + si->base);
20. char *sym_name = (char *)(strtab + symtab[sym].st_name);
21. if(strcmp(sym_name, name)==0)
22. {
23. *pOldFun = (void *)*((unsigned*)reloc);
24. *((unsigned*)reloc)= pNewFun;
25. break;
26. }
27. rel++;
28. }
29. }

6.2 新函数及其它函数

1. // global function variable, save the address of strcmp of libapp.so
2. int (*g_realstrcmp)(const char *s1, const char *s2);
3. // my strcmp function
4. int my_strcmp(const char *s1, const char *s2)
5. {
6. if( g_realstrcmp != NULL )
7. {
8. int nRet = g_realstrcmp( s1, s2 );
9. printf("***%s: s1=%s, s2=%s\n",__FUNCTION__, s1, s2 );
10. return nRet;
11. }
12. return -1;
13. }
14. // create a thread
15. void* my_thread( void* pVoid )
16. {
17. int sock;
18. sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
19. if( sock < -1 )
20. {
21. printf("create socket failed!\n");
22. return 0;
23. }
24. struct sockaddr_in addr_serv;
25. int len;
26. memset(&addr_serv, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
27. addr_serv.sin_family = AF_INET;
28. addr_serv.sin_port = htons(9999);
29. addr_serv.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
30. len = sizeof(addr_serv);
31. int flags = fcntl( sock, F_GETFL, 0);
32. fcntl( sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
33. int nPreState = -1;
34. unsigned char data=0;
35. while( 1 )
36. {
37. data++;
38. sendto( sock, &data,  sizeof( data ), 0, (struct sockaddr *)&addr_serv, sizeof( addr_serv ) );
39. usleep( 30000 );
40. }
41. }