ART深度探索开篇：从Method Hook谈起

Android上的热修复框架 AndFix 想必已经是耳熟能详，它的原理实际上很简单：方法替换——Java层的每一个方法在虚拟机实现里面都对应着一个ArtMethod的结构体，只要把原方法的结构体内容替换成新的结构体的内容，在调用原方法的时候，真正执行的指令会是新方法的指令；这样就能实现热修复，详细代码见 AndFix。

为什么可以这么做呢？那得从 Android 虚拟机的方法调用过程说起。作为一个系列的开篇，本文不打算展开讲虚拟机原理等内容，首先给大家一道开胃菜；后续我们再深入探索ART。

众所周知，AndFix是一种 native 的hotfix方案，它的替换过程是用 c 在 native层完成的，但其实，我们也可以用纯Java实现它！而且，代码还非常精简，且看——

方法替换原理

既然我们知道 AndFix 的原理是方法替换，那么为什么直接替换Java里面的 java.lang.reflect.Method 有什么问题吗？直接这样貌似很难下结论，那我们换个思路。我们实现方法替换的结果，就是调用原方法的时候最终是调用被替换的方法。因此，我们可以看看 java.lang.reflect.Method类的 invoke 方法。（这里有个疑问，Foo.bar()这种直接调用与反射调用Foo.class.getDeclaredMethod(“bar”).invoke(null) 有什么区别吗？这个问题后续再谈）

private native Object invoke(Object receiver, Object[] args, boolean accessible)
        throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException;

这个invoke是一个native方法，它的native实现在 art/runtime/native/java_lang_reflect_Method.cc 里面，这个jni方法最终调用了 art/runtime/reflection.cc 的 InvokeMethod方法：

object InvokeMethod(const ScopedObjectAccessAlreadyRunnable& soa, jobject javaMethod,
                     jobject javaReceiver, jobject javaArgs, bool accessible) {
  // 略...

  mirror::ArtMethod* m = mirror::ArtMethod::FromReflectedMethod(soa, javaMethod);

  mirror::Class* declaring_class = m->GetDeclaringClass();

  // 按需初始化类，略。。

  mirror::Object* receiver = nullptr;
  if (!m->IsStatic()) {
    // Check that the receiver is non-null and an instance of the field's declaring class.
    receiver = soa.Decode<mirror::Object*>(javaReceiver);
    if (!VerifyObjectIsClass(receiver, declaring_class)) {
      return NULL;
    }

    // Find the actual implementation of the virtual method.
    m = receiver->GetClass()->FindVirtualMethodForVirtualOrInterface(m);
  }

  // 略..
  InvokeWithArgArray(soa, m, &arg_array, &result, shorty);
  // 略 。。
  // Box if necessary and return.
  return soa.AddLocalReference<jobject>(BoxPrimitive(mh.GetReturnType()->GetPrimitiveType(),
                                                     result));
}

上面函数 InvokeMethod 的第二个参数 javaMethod 就是Java层我们进行反射调用的那个Method对象，在jni层反映为一个jobject；InvokeMethod这个native方法首先通过 mirror::ArtMethod::FromReflectedMethod 获取了Java对象的在native层的 ArtMethod指针，我们跟进去看看是怎么实现的：

ArtMethod* ArtMethod::FromReflectedMethod(const ScopedObjectAccessAlreadyRunnable& soa,
                                          jobject jlr_method) {
  mirror::ArtField* f =
      soa.DecodeField(WellKnownClasses::java_lang_reflect_AbstractMethod_artMethod);
  mirror::ArtMethod* method = f->GetObject(soa.Decode<mirror::Object*>(jlr_method))->AsArtMethod();
  DCHECK(method != nullptr);
  return method;
}

我们在这里看到了一点端倪，获取到了Java层那个Method对象的一个叫做 artMethod的字段，然后强转成了ArtMethod指针（这里的说法不是很准确，但是要搞明白这里面的细节一两篇文章讲不清楚 ~_~，我们暂且这么认为吧。）

AndFix的实现里面，也正是使用这个 FromReflectedMethod 方法拿到Java层Method对应native层的ArtMethod指针，然后执行替换的。

上面我们也看到了，我们在native层替换的那个 ArtMethod 不是在 Java 层也有对应的东西么？我们直接替换掉 Java 层的这个artMethod 字段不就OK了？但是我们要注意的是，在Java里面除了基本类型，其他东西都是引用。要实现类似C++里面那种替换引用所指向内容的机智，需要一些黑科技。

Unsafe 和 Memory

要在Java层操作内容，也不是没有办法做到；JDK给我们留了一个后门：sun.misc.Unsafe 类；在OpenJDK里面这个类灰常强大，从内存操作到CAS到锁机制，无所不能（可惜的是据说JDK8要去掉？）但是在Android 平台还有一点点不一样，在 Android N之前，Android的JDK实现是 Apache Harmony，这个实现里面的Unsafe就有点鸡肋了，没法写内存；好在Android 又开了一个后门：Memory 类。

有了这两个类，我们就能在Java层进行简单的内存操作了！！由于这两个类是隐藏类，我写了一个wrapper，如下：

private static class Memory {

    // libcode.io.Memory#peekByte
    static byte peekByte(long address) {
        return (Byte) Reflection.call(null, "libcore.io.Memory", "peekByte", null, new Class[]{long.class}, new Object[]{address});
    }

    static void pokeByte(long address, byte value) {
        Reflection.call(null, "libcore.io.Memory", "pokeByte", null, new Class[]{long.class, byte.class}, new Object[]{address, value});
    }

    public static void memcpy(long dst, long src, long length) {
        for (long i = 0; i < length; i++) {
            pokeByte(dst, peekByte(src));
            dst++;
            src++;
        }
    }
}

static class Unsafe {

    static final String UNSAFE_CLASS = "sun.misc.Unsafe";
    static Object THE_UNSAFE;

    private static boolean is64Bit;

    static {
        THE_UNSAFE = Reflection.get(null, UNSAFE_CLASS, "THE_ONE", null);
        Object runtime = Reflection.call(null, "dalvik.system.VMRuntime", "getRuntime", null, null, null);
        is64Bit = (Boolean) Reflection.call(null, "dalvik.system.VMRuntime", "is64Bit", runtime, null, null);
    }

    public static long getObjectAddress(Object o) {
        Object[] objects = {o};
        Integer baseOffset = (Integer) Reflection.call(null, UNSAFE_CLASS,
                "arrayBaseOffset", THE_UNSAFE, new Class[]{Class.class}, new Object[]{Object[].class});
        return ((Number) Reflection.call(null, UNSAFE_CLASS, is64Bit ? "getLong" : "getInt", THE_UNSAFE,
                new Class[]{Object.class, long.class}, new Object[]{objects, baseOffset.longValue()})).longValue();
    }
}

具体实现

接下来思路就很简单了呀，用伪代码表示就是：

1	memcopy(originArtMethod, replaceArtMethod);

但是还有一个问题，我们要整个把 originMethod 的 artMethod 所在的内存直接替换为 replaceMethod 的artMethod 所在的内存（上面我们已经知道，Java层Method类的artMethod实际上就是native层的指针表示，在Android N上更明显，这玩意儿直接就是一个long），现在我们已经知道这两个地址是什么，那么我们把 replaceArtMethod 代表的内存复制到 originArtMethod 的区域，应该还需要知道一个 artMethod 有多大。

但是事情没有一个 sizeof 那么简单。你看AndFix的实现是在每个Android版本把ArtMethod这个结构体复制一份的；要想用sizeof还得把这个类所有的引用复制过来，及其麻烦。更何况在Java里面 sizeof都没有。不过也不是没有办法，既然我们已经能在Java层拿到对象的地址，只需要创建一个数组，丢两个ArtMethod，把两个数组元素的起始地址相减不就得到一个 artMethod的大小了吗？(此方法来自Android热修复升级探索——追寻极致的代码热替换)

不过，既然我们实现了方法替换；还有最后一个问题，如果我们需要在替换后的方法里面调用原函数呢？这个也很简单，我们只需要把原函数copy一份保存起来，需要调用原函数的时候调用那个copy的函数不就行了？不过在具体实现的时候，会遇到一个问题，就是 Java的非static 非private的方法默认是虚方法，在调用这个方法的时候会有一个类似查找虚函数表的过程，这个在上面的代码 InvokeMethod 里面可以看到：

mirror::Object* receiver = nullptr;
if (!m->IsStatic()) {
  // Check that the receiver is non-null and an instance of the field's declaring class.
  receiver = soa.Decode<mirror::Object*>(javaReceiver);
  if (!VerifyObjectIsClass(receiver, declaring_class)) {
    return NULL;
  }

  // Find the actual implementation of the virtual method.
  m = receiver->GetClass()->FindVirtualMethodForVirtualOrInterface(m);
}

在调用的时候，如果不是static的方法，会去查找这个方法的真正实现；我们直接把原方法做了备份之后，去调用备份的那个方法，如果此方法是public的，则会查找到原来的那个函数，于是就无限循环了；我们只需要阻止这个过程，查看 FindVirtualMethodForVirtualOrInterface 这个方法的实现就知道，只要方法是 invoke-direct 进行调用的，就会直接返回原方法，这些方法包括：构造函数，private的方法( 见 https://source.android.com/devices/tech/dalvik/dalvik-bytecode.html) 因此，我们手动把这个备份的方法属性修改为private即可解决这个问题。

详细代码见：github/epic

至此，我们就用纯Java实现了一个 AndFix，代码只有200行不到！！是不是很神奇？当然，这里面包含了很多黑科技，接下来我们将以这个为引子，深入探索Android ART的方方面面，揭开虚拟机底层的神秘面纱，敬请期待～～