FART原理剖析
一、App启动流程
这里以一张图说明App进程的创建流程：
通过Zygote进程到最终进入到app进程世界，我们可以看到ActivityThread.main()是进入App世界的大门，下面对该函数体进行简要的分析，具体分析请看文末的参考链接。
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对于ActivityThread这个类，其中的sCurrentActivityThread静态变量用于全局保存创建的ActivityThread实例，同时还提供了public static ActivityThread currentActivityThread()静态函数用于获取当前虚拟机创建的ActivityThread实例。ActivityThread.main()函数是java中的入口main函数,这里会启动主消息循环，并创建ActivityThread实例，之后调用thread.attach(false)完成一系列初始化准备工作，并完成全局静态变量sCurrentActivityThread的初始化。之后主线程进入消息循环，等待接收来自系统的消息。当收到系统发送来的bindapplication的进程间调用时，调用函数handlebindapplication来处理该请求
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在 handleBindApplication函数中第一次进入了app的代码世界，该函数功能是启动一个application，并把系统收集的apk组件等相关信息绑定到application里，在创建完application对象后，接着调用了application的attachBaseContext方法，之后调用了application的onCreate函数。由此可以发现，app的Application类中的attachBaseContext和onCreate这两个函数是最先获取执行权进行代码执行的。这也是为什么各家的加固工具的主要逻辑都是通过替换app入口Application，并自实现这两个函数，在这两个函数中进行代码的脱壳以及执行权交付的原因。
二、APP加壳原理以及运行流程
在第一节的App启动流程中我们最终可以得出结论，app最先获得执行权限的是app中声明的Application类中的attachBaseContext和onCreate函数。因此，壳要想完成应用中加固代码的解密以及应用执行权的交付就都是在这两个函数上做文章。下面这张图大致讲了加壳应用的运行流程。
当壳在函数attachBaseContext和onCreate中执行完加密的dex文件的解密后，通过自定义的Classloader在内存中加载解密后的dex文件。为了解决后续应用在加载执行解密后的dex文件中的Class和Method的问题，接下来就是通过利用java的反射修复一系列的变量。其中最为重要的一个变量就是应用运行中的Classloader，只有Classloader被修正后，应用才能够正常的加载并调用dex中的类和方法，否则的话由于Classloader的双亲委派机制，最终会报ClassNotFound异常，应用崩溃退出，这是加固厂商不愿意看到的。由此可见Classloader是一个至关重要的变量，所有的应用中加载的dex文件最终都在应用的Classloader中。
因此，只要获取到加固应用最终通过反射设置后的Classloader，我们就可以通过一系列反射最终获取到当前应用所加载的解密后的内存中的Dex文件。
随着加壳技术的发展，为了对抗dex整体加固更易于内存dump来得到原始dex的问题，各加固厂商又结合hook技术，通过hook dex文件中类和方法加载执行过程中的关键流程，来实现在函数执行前才进行解密操作的指令抽取的解决方案。此时，就算是对内存中的dex整体进行了dump，但是由于其方法的最为重要的函数体中的指令被加密，导致无法对相关的函数进行脱壳。由此，Fupk3诞生了，该脱壳工具通过欺骗壳而主动调用dex中的各个函数，完成调用流程，让壳主动解密对应method的指令区域，从而完成对指令抽取型壳的脱壳。
三、现有ART环境下自动化脱壳工具及优缺点
针对虚拟机运行过程中类的加载执行流程进行修改从而完成脱壳的集大成者算是dexhunter。dexhunter分别实现了dalvik和art环境下的加固app的脱壳。然而，当前针对dexhunter的脱壳原理来对抗dexhunter的技术也不断被应用，比如添加无效类并在这些类的初始化函数加入强制退出相关的代码以及检测dexhunter的配置文件等。
其次，当前ART环境下的脱壳技术还有基于dex2oat编译生成oat过程的内存中的dex的dump技术，该方法依然是整体型dump，无法应对指令抽取型加固,同时，当前一些壳对于动态加载dex的流程进行了hook，这些dex也不会走dex2oat流程；以及基于dex加载过程中内存中的DexFile结构体的dump技术。例如，在ART下通过hook OpenMem函数来实现在壳进行加载DexFile时对内存中的dex的dump的脱壳技术，以及在2017年的DEF CON 25 黑客大会中，Avi Bashan 和 SlavaMakkaveev 提出的通过修改DexFile的构造函数DexFile::DexFile()，以及OpenAndReadMagic()函数来实现对加壳应用的内存中的dex的dump来脱壳技术。
上面这些脱壳技术均无法实现对指令抽取型壳的完全脱壳。与此同时，F8left实现并开源了Dalvik环境下的基于主动调用的脱壳技术，完美实现了对抗指令抽取型壳的解决方案。
但是随着Android的升级，Dalvik虚拟机已经逐渐淡出了视野，当前的很多应用已经不支持安装在4.4以下系统中，这就导致fupk3也即将走向末路。相信F8left大佬也早已实现了ART环境下的基于主动调用的脱壳技术，但是却由于某些原因并未开源。
本人在前人基础上，提出一种ART环境下的基于主动调用的的脱壳技术解决方案，并最后实现该解决方案，这里先分别提供arm模拟器、x86模拟器以及nexus5的脱壳镜像供广大安全研究人员测试使用(建议手头有nexus5手机的用户选择使用nexus5镜像，虚拟机下使用较慢)，并提供意见和建议，也欢迎大家共同参与到我的工作中，对Fart进行进一步的完善。在后续待更完善后会将该项目开源。
四、FART脱壳原理以及实现
FART脱壳的步骤主要分为三步：
- 内存中DexFile结构体完整dex的dump
- 主动调用类中的每一个方法，并实现对应CodeItem的dump
- 通过主动调用dump下来的方法的CodeItem进行dex中被抽取的方法的修复
下面分别对每一步的实现原理进行介绍。
1. 总结Android脱壳的本质：内存中处于解密状态的dex的dump
Android APP脱壳的本质就是对内存中处于解密状态的dex的dump。首先要区分这里的脱壳和修复的区别。这里的脱壳指的是对加固apk中保护的dex的整体的dump，不管是函数抽取、dex2c还是vmp壳，首要做的就是对整体dex的dump，然后再对脱壳下来的dex进行修复。要达到对apk的脱壳，最为关键的就是准确定位内存中解密后的dex文件的起始地址和大小。那么这里要达成对apk的成功脱壳，就有两个最为关键的要素：
- 内存中dex的起始地址和大小，只有拿到这两个要素，才能够成功dump下内存中的dex
- 脱壳时机，只有正确的脱壳时机，才能够dump下明文状态的dex。否则，时机不对，及时是正确的起始地址和大小，dump下来的也可能只是密文。
其中，通过上一小节对当前的一些脱壳方法的原理分析可以看到，Dalvik下的脱壳都是围绕着一个至关重要的结构体：DexFile结构体，而到了ART以后，便演化为了DexFile类。可以说，在ART下只要获得了DexFile对象，那么我们就可以得到该dex文件在内存中的起始地址和大小，进而完成脱壳。下面是DexFile结构体的定义以及DexFile类的定义源码：
Dalvik下DexFile结构体：
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ART下DexFile类,代码较长，只贴出片段吧：
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可以看到，ART下DexFile类中定义了两个关键的变量： begin、size以及用于获取这两个变量的Begin()和Size()函数。这两个变量分别代表着当前DexFile对象对应的内存中的dex文件加载的起始位置和大小。当然也有其他的方法来获取到内存中的dex加载的起始位置和大小。可以说，只要有了这两个值，我们就可以完成对这个dex的dump。
那么如何实现对类中函数的主动调用来实现函数粒度的脱壳呢？下面开始介绍主动调用的设计。
2. 类函数的主动调用设计实现
对类函数的主动调用链的构造我们或许可以从JNI提供的相关函数的源码可以得出参考。JNI提供了一系列java层函数与Native层函数交互的接口。当需要在Native层中的c/c++函数中调用位于java层的函数时，需要先获取到该函数的jmethodid然后再通过诸如jni中提供的call开头的一系列函数来完成对java层中函数的调用。我们以jni中的CallObjectMethod函数为例，进行分析。下面开始源码分析：
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该函数中通过(InvokeVirtualOrInterfaceWithVarArgs(soa, obj, mid, ap)函数来完成调用，下面看该函数内容：
该函数首先对jmethodid进行了转换，转换成ArtMethod对象指针，进而通过函数InvokeWithArgArray完成调用，下面再看InvokeWithArgArray函数内容
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下面看 InvokeWithArgArray函数:
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该函数最终通过调用ArtMethod类中的Invoke函数完成对java层中的函数的调用。由此，我们可以看到ArtMethod类中的Invoke方法在jni中扮演着至关重要的地位。于是，我们可以构造出自己的invoke函数，在该函数中再调用ArtMethod的Invoke方法从而完成主动调用，并在ArtMethod的Invoke函数中首先进行判断，当发现是我们自己的主动调用时就进行方法体的dump并直接返回，从而完成对壳的欺骗，达到方法体的dump。下面开始代码部分。在libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexFile.java的另一个Native函数DexFile_dumpMethodCode中
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可以看到代码非常简洁，首先是对Java层传来的Method结构体进行了类型转换，转成Native层的ArtMethod对象，接下来就是调用ArtMethod类中myfartInvoke实现虚拟调用，并完成方法体的dump。下面看ArtMethod.cc中添加的函数myfartInvoke的实现主动调用的代码部分：
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这里代码依然很简洁，只是对ArtMethod类中的Invoke的一个调用包装，不同的是在参数方面，我们直接给Thread*传递了一个nullptr，作为对主动调用的标识。下面看ArtMethod类中的Invoke函数：
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该函数只是在最开头添加了对Thread*参数的判断，当发现该参数为nullptr时，即表示是我们自己构造的主动调用链到达，则此时调用dumpArtMethod()函数完成对该ArtMethod的CodeItem的dump，这部分代码和fupk3一样直接采用dexhunter里的，这里不再赘述。到这里，我们就完成了内存中DexFile结构体中的dex的整体dump以及主动调用完成对每一个类中的函数体的dump，下面就是修复被抽取的函数部分。
3. 抽取类函数的修复
壳在完成对内存中加载的dex的解密后，该dex的索引区即stringid，typeid,methodid,classdef和对应的data区中的string列表并未加密。而对于classdef中类函数的CodeItem部分可能被加密存储或者直接指向内存中另一块区域。这里我们只需要使用dump下来的method的CodeItem来解析对应的被抽取的方法即可，这里我提供了一个用python实现的修复脚本。
4. 实验验证部分
下面进入到最激动人心的实验验证部分了，也顺便说一下Fart脱壳工具的使用方法和流程：
Fart的使用流程主要包含四步：
① 编写fart工具配置文件并push到/data/fart，并添加所有用户可读写权限。
如，我要脱壳的应用包名为com.example.dexcode,则此时fart的文件为第一行为包名，第二行为该应用安装后的私有目录，这里是/data/data/com.example.dexcode
② 安装应用，并点击启动应用，进入脱壳阶段。
在应用进入主页面Activity时开始正式脱壳阶段，会在应用私有目录下生成dump下来的dex文件以及函数体文件。该过程较为耗时，再次建议该过程喝杯茶。
③ 将脱壳dump下来的dex和函数体文件pull到电脑上fart目录下
待脱壳完成后，在应用私有目录下会生成相关dump文件，将这些文件拷贝到电脑fart目录即可。例如这里dump下来的是以_data_app开头的dex文件和722044_ins.bin文件。其中前者dump下来的dex文件大小为722044，和函数体文件722044_ins.bin文件一一对应关系。
④ 在fart目录下运行Python修复脚本fart.py，输出即为反编译后的修复函数的smali代码。参数依次为dump下来的dex文件以及函数体文件。如:python fart.py -d dumpdex -i ins_file>>repired.txt。这里dump的dex和函数体文件按照dump下来的dex文件大小一一对应。比如，如果dump下来的dex文件文件大小为1000，则对应的函数体文件则为1000_ins.bin。整个修复过程视要修复的dex文件大小决定，当文件较大时，修复过程较漫长，建议先喝杯茶。待修复完成后，打开repired.txt，即可看到对应的被抽空的函数的真正方法体信息。如下图，可以看到被抽空的函数已经完成了修复(这是哪家的壳我就不说了)。
文章最后附上github:https://github.com/hanbinglengyue/FART
其中提供了nexus5和arm模拟器镜像，以及供修复的fart.py脚本，建议使用nexus5镜像，脱壳更快。
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