Android APP功能插件化機制的研究與實現(xiàn)

熊建芳

(嶺南師范學(xué)院 信息工程學(xué)院， 廣東 湛江 524048)

0 引 言

隨著智能手機的大眾化，移動應(yīng)用層出不窮，目前已經(jīng)開源的插件化框架有很多，但大多數(shù)針對性比較強，要么針對新功能的增加，要么是bug的修復(fù)，并沒有一個框架對二者進行融合；并且這些框架也沒有采取任何安全機制來保障應(yīng)用的安全。

本文提出了一種Android App插件化機制。這種插件機制按照插件化的粒度分成模塊化更新和熱修復(fù)。模塊化更新針對新功能的增加，而熱修復(fù)針對類文件中方法級別的修復(fù)。在這種機制下用戶無需手動安裝新模塊，APP通過動態(tài)加載的方式就可以進行更新，大大提高了用戶的體驗性，更為開發(fā)者部署應(yīng)用、更新應(yīng)用、修復(fù)應(yīng)用的bug提供了很大的方便。

1 總體設(shè)計

對于插件化的開發(fā)方式，保證模塊代碼在網(wǎng)絡(luò)上的安全性是十分重要的，尤其對于一些敏感性比較高的應(yīng)用，安全就顯的尤為重要。目前開源的插件化框架對安全性這方面并沒有做相應(yīng)的保障?；谶@些需求，本文所研究的機制將通過HOOK技術(shù)接管系統(tǒng)的部分管理機制，實現(xiàn)動態(tài)加載APK或者是單個dex文件，同時讓這些插件化模塊能夠正常運行。安卓四大組件(Activity、Service、Broadcast Receiver、Content Provider)插件化都會預(yù)先注冊代理組件，然后利用這個代理組件向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)請求，接著利用借尸還魂的方式還原成真正要啟動的組件。在插件化的過程中利用HOOK系統(tǒng)各類關(guān)鍵的API和Binder來獲取系統(tǒng)的資源以及管理各插件中組件的生命周期。設(shè)計APK的解析模塊，通過這個模塊來解析出APK中的關(guān)鍵信息，其中META.INF下的簽名文件對于判斷插件模塊的安全性起到了關(guān)鍵性的作用。對于保障應(yīng)用安全方面，本文采用對比簽名文件信息，驗證簽名是否一致和對dex文件加殼的方式來維護。為實現(xiàn)熱修復(fù)，解決mutildex的問題，使用了javassist動態(tài)代碼注入技術(shù)。插件化機制的總體框架如圖1所示。

圖1 插件化機制總體框架

利用這個框架可以讓應(yīng)用在相對安全的情況下實現(xiàn)模塊化更新和熱修復(fù)功能，并且也可以讓系統(tǒng)認(rèn)為插件模塊與宿主應(yīng)用程序始終為一體。使用該機制開發(fā)的應(yīng)用，APP在用戶體驗方面將會有質(zhì)的提升。

2 插件加載模塊

由于在加載插件之前，從網(wǎng)絡(luò)上獲取的更新文件下載到本地的固定目錄下。因此在加載插件時可以直接遍歷這個固定目錄，若該目錄下存在符合條件的APK文件或dex文件，系統(tǒng)就會將這些文件加載進入內(nèi)存。加載插件模塊的流程如圖2所示。

圖2 加載插件模塊流程

3 模塊化更新

3.1 APK解析

普通的應(yīng)用都是以APK包進行安裝的，APK在正常安裝的過程中，系統(tǒng)會對APK進行自動解析，并且將信息緩存到系統(tǒng)中。在應(yīng)用請求啟動某個組件時，會自動匹配組件信息并初始化組件、啟動組件。但本文中的APK并不能通過正常方式進行安裝，因此必須對Android系統(tǒng)這一過程進行HOOK，然后執(zhí)行本文的邏輯，完成這一過程。在前面提到需要對dex文件進行保護并且驗證APK簽名，因此可以在該模塊中利用解析APK文件的過程獲取dex文件和簽名文件，并對簽名文件進行驗證和對dex文件進行解密。

通過上面的分析，APK包的解析將是本文研究機制中必須設(shè)計的一個模塊。當(dāng)有新的插件模塊下載到本地固定目錄時，該模塊就會自動解析出對應(yīng)的信息，并且將其放入系統(tǒng)的緩存目錄下。通過對應(yīng)用安裝過程源碼的分析，可以得出APK的解析是由PackageParser這個類來負(fù)責(zé)的，因此本文通過繼承該類，實現(xiàn)自己的邏輯來解析插件的APK包。

3.2 AndroidManifest預(yù)注冊

想要啟動插件中的四大組件勢必需要在宿主程序中進行預(yù)注冊。對于插件模塊中四大組件的數(shù)量在開發(fā)宿主應(yīng)用時并不可預(yù)測，但是因為系統(tǒng)本身的限制，能同時運行的進程數(shù)量是有限的，同時運行的插件數(shù)量也就有限，因此本文對四大組件中代理組件的注冊數(shù)就可有限化。

為了讓每個插件都能夠獨立的運行在自己的進程中，必須對預(yù)注冊組件的process屬性進行賦值，用來區(qū)分不同的進程。因為開發(fā)APP時，在AndroidManifest中注冊的組件可以通過指定process屬性來指定該組件所在的進程。對于Activity而言其啟動模式有4種，除了由于Standard模式每次啟動都是新的Activity，在一個插件中只需為其預(yù)先注冊一個Activity，其余模式下啟動的Activity則必須預(yù)注冊多個。廣播也具有一定的特殊性，具有2種注冊方式，本文采取的方式是靜態(tài)轉(zhuǎn)動態(tài)注冊，所以并不需要對其進行預(yù)注冊。對于其它的2個組件并不像Activity的生命周期和啟動模式那樣復(fù)雜，只需在每個插件中預(yù)注冊一個代理組件。

3.3 四大組件的插件化

由于插件模塊中的組件并未在宿主應(yīng)用的文件中進行注冊，所以必須使用上述預(yù)先注冊的四大組件作為代理，利用代理組件向系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的請求。在獲得應(yīng)答后再還原成插件中對應(yīng)的目標(biāo)組件，在此過程中本文利用HOOK技術(shù)結(jié)合動態(tài)代理進行攔截和替換。四大組件攔截替換過程如圖3所示。

圖3 HOOK模塊設(shè)計

因為Activity啟動模式復(fù)雜，在圖中的攔截替換過程中，本機制會建立一個映射關(guān)系，方便系統(tǒng)在做任務(wù)棧管理時能夠正確的識別目標(biāo)組件，從而實現(xiàn)不同的啟動模式。對于Service與ContentProvider的啟動不像Activity那樣復(fù)雜，本文只需將目標(biāo)組件替換為代理組件，最后再進行代理分發(fā)還原。而對于廣播，有動態(tài)和靜態(tài)之分，對于靜態(tài)本文則將其轉(zhuǎn)動態(tài)進行注冊的。所以本文在APK進行解析時，將獲取的廣播信息通過HOOK的方式加入到動態(tài)廣播的隊列當(dāng)中，然后當(dāng)廣播被發(fā)送后，系統(tǒng)會對該隊列中對該廣播感興趣的接收者回調(diào)相應(yīng)的方法。

3.4 緩存機制與插件包管理

Android應(yīng)用的沙箱機制，是Android系統(tǒng)為了保證應(yīng)用安全專門設(shè)計的[2]。這種安全機制為每個成功安裝的Android應(yīng)用分配一個以應(yīng)用包名為路徑的私有空間，程序中很多本地存儲都會選擇該路徑下的私有空間來進行數(shù)據(jù)的存儲。由于插件并沒有進行安裝注冊，所以系統(tǒng)并不會為其分配這樣的空間。而插件本身肯定會遇到需要將數(shù)據(jù)存儲到本地的境況，因此本文通過結(jié)合HOOK技術(shù)與Java的反射機制來獲取應(yīng)用程序的IO路徑，在宿主程序私有空間下為插件創(chuàng)建一個空間。然后重定向到這個IO路徑。獲取到IO路徑后，插件就可以進行本地存儲。

插件APK解析完成后，將解析出來的信息緩存到本地目錄，以便應(yīng)用加載插件，同時也需要將一些關(guān)鍵的對象進行緩存，例如加載插件的ClassLoder。在插件進行卸載的同時，需要根據(jù)插件的包名找到對應(yīng)的本地目錄，將該插件在本地的所有緩存清空。

3.5 HOOK模塊

HOOK模塊主要是為系統(tǒng)在通信過程中插件模塊沒有進行安裝和注冊，導(dǎo)致無法正常訪問系統(tǒng)資源或是加載組件而設(shè)計的。本文通過HOOK技術(shù)和動態(tài)代理技術(shù)來解決這個問題，從而保障插件模塊的正常運行。這項技術(shù)主要分為以下2點：一是用于PMS和AMS。應(yīng)用的啟動和運行都與PMS和AMS相關(guān)，尤其是應(yīng)用與系統(tǒng)進程進行通信，更是與AMS息息相關(guān)，因此HOOK PMS和AMS是至關(guān)重要的；二是Binder。Android中進程間通信使用最廣泛的方式就是Binder，請求系統(tǒng)服務(wù)和獲取系統(tǒng)權(quán)限等都需要Binder。因此HOOK Binder對于啟動插件也是不可或缺的。HOOK模塊的設(shè)計如圖3所示。

Package Manager Service(下文簡稱PMS)在系統(tǒng)中的作用是完成信息校驗、APK信息獲取和四大組件信息獲取等重要功能。在APK解析、系統(tǒng)啟動組件等過程中系統(tǒng)都會檢查對應(yīng)包的信息，因為插件并沒有進行安裝注冊，就會拋出異常。因此要正常啟動插件就必須對PMS進行HOOK。從源碼中可以看到真正獲取PMS的方法是應(yīng)用ContextImpl中的getPackageManager( )。從該方法中可以看到PMS對象是在ActivityThread中并被ApplicationPackageManager包裹了一層。由ActivityThread源碼中可以看出PMS的代理對象是一個靜態(tài)對象，可以對這個對象進行HOOK。因此可以將此作為一個HOOK點。

Ctivity Manager Service(下文簡稱AMS)。AMS對于FrameWork層的作用是非常重要的，四大組件啟動運行都和AMS有著密切的關(guān)系。四大組件都是通過調(diào)用AMS與系統(tǒng)進程通信的。因此，HOOK AMS顯得尤為關(guān)鍵。通過查看startActivity()的源碼，啟動Activity最終都是execStartActivity( )方法。這個方法存在于Instrumentation類中。從該方法中能夠發(fā)現(xiàn)其實ActivityManagerNative是AMS的一個遠(yuǎn)程代理對象，這個代理對象是一個單例。因此本文將此作為一個HOOK點，對AMS的這個代理對象進行HOOK。

本框架研究的機制主要是插件請求系統(tǒng)服務(wù)或資源，是以Client端的身份進行HOOK Binder的。因此，本文所要HOOK的對象是Binder的代理對象。通過對系統(tǒng)源碼的分析可知獲取系統(tǒng)的服務(wù)需要如下2個步驟：

//獲取原始IBinder對象

IBinder b = ServiceManager.getService("service_name");

//轉(zhuǎn)換為Service接口

IXXInterface in = IXXInterface.Stub.asInterface(b);

//asInterface()方法中返回的對象。

android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);

當(dāng)插件化機制需要訪問對應(yīng)的系統(tǒng)服務(wù)、獲取求權(quán)限、訪問系統(tǒng)資源時，都需要用到HOOK模塊，這是插件化的核心。

3.6 熱修復(fù)模塊

當(dāng)應(yīng)用出現(xiàn)需要修復(fù)的bug并需要立即更新時，本文會將需要更新的文件打包成dex文件，而不再是一個APK包。因此熱修復(fù)文件不需要經(jīng)過機制中的APK解析模塊，可以直接進行加載。新類與bug類的包名、類名必須一致，且新類在數(shù)組中的位置又必須優(yōu)先于應(yīng)用中的bug類。根據(jù)類加載機制的雙親委托模型可知，系統(tǒng)將不再加載bug類。同時為了解決dex文件的引用問題，本文在加載dex文件的過程中需要進行動態(tài)代碼的注入。圖4是熱修復(fù)的流程。

圖4 熱修復(fù)流程

在Java層面通常用到的動態(tài)特性是反射，但是反射的效率比較低，并且在java層面使用動態(tài)代碼注冊，也不可能實現(xiàn)一個類去引用其它dex文件的類。因此為實現(xiàn)上面的需求，本文使用javassist類庫進行代碼注入。利用Javassist類庫中提供的方法直接在運行時操作Java字節(jié)碼。相比于其它動態(tài)注入代碼的方式，javassist的性能雖然略低，但是提供了一層抽象，相比于直接操作字節(jié)碼的方式j(luò)avassitst源碼級別的api成本要低，本文選擇使用javassist來進行代碼的注入。在宿主程序開發(fā)完畢后，本文的機制要求去打包第二個dex文件，這個dex文件的目的是讓類去引用不同dex文件中的類，避免被打上特殊的標(biāo)志。在宿主應(yīng)用程序中利用javassist類庫編寫相應(yīng)的代碼對需要代碼注入的類進行動態(tài)注入。

3.7 插件化機制安全模塊

采用驗證APK簽名文件和對dex文件在打包時進行加密、加載前進行解密這兩種方式維護應(yīng)用的安全。

4 結(jié)束語

本文所研究的機制具有以下特點：一是可以在用戶無感知的情況下下載更新模塊、對新功能模塊更新和修復(fù)類文件中的bug；二是每個插件模塊都是獨立的，插件之間互不影響，并且可以進行熱插拔；三是熱修復(fù)模塊與模塊化更新結(jié)合，既實現(xiàn)了大粒度的模塊更新，又實現(xiàn)了小粒度的熱修復(fù)功能；四是具有一定的安全機制，可以在一定程度上保障應(yīng)用的安全。