Android 内存执行ELF研究

本文为看雪论坛优秀文章

看雪论坛作者ID：Ylarod

一

初遇

在Linux系统中，我们可以通过 memfd_create 和 execve 实现内存运行ELF，但是在 Android 中，却遇到了这样的问题：

CANNOT LINK EXECUTABLE "/data/local/tmp/paylaod": library "libicu.so" not found: needed by /system/lib64/libharfbuzz_ng.so in namespace (default)

通过这篇文章（https://github.com/5ec1cff/my-notes/blob/master/linker-log.md）了解到可以通过 LD_DEBUG 环境变量开启 linker 日志，执行

LD_DEBUG=1 /data/local/tmp/memexec

并通过 logcat 抓到了如下日志：

W linker  : [ Android dynamic linker (64-bit) ]W linker  : [ Linking executable "/data/local/tmp/memexec" ]W linker  : [ Linking "[vdso]" ]W linker  : [ Reading linker config "/linkerconfig/ld.config.txt" ]W linker  : [ Using config section "**unrestricted**" ]W linker  : [ Linking "/data/local/tmp/memexec" ]W linker  : [ Linking "/system/lib64/liblog.so" ]W linker  : [ Linking "/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libm.so" ]W linker  : [ Linking "/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libdl.so" ]W linker  : [ Linking "/apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so" ]W linker  : [ Linking "/system/lib64/libc++.so" ]W linker  : [ Linking "/system/lib64/libnetd_client.so" ]W linker  : [ Linking "/system/lib64/libcutils.so" ]W linker  : [ Linking "/system/lib64/libbase.so" ]W linker  : [ CFI add 0x61abb23000 + 0x67000  ]W linker  : [ CFI add 0x77780d3000 + 0x1000 linux-vdso.so.1 ]W linker  : [ CFI add 0x7776c48000 + 0x10000 liblog.so ]W linker  : [ CFI add 0x7773d87000 + 0x37000 libm.so ]W linker  : [ CFI add 0x7773dc0000 + 0x5000 libdl.so ]W linker  : [ CFI add 0x7773a1e000 + 0x318000 libc.so ]W linker  : [ CFI add 0x7776cd2000 + 0xae000 libc++.so ]W linker  : [ CFI add 0x7773945000 + 0x2b000 libnetd_client.so: 0x777394a000 ]W linker  : [ CFI add 0x777391b000 + 0x12000 libcutils.so ]W linker  : [ CFI add 0x77738c4000 + 0x3b000 libbase.so ]W linker  : [ CFI add 0x777391b000 + 0x12000 libcutils.so ]W linker  : [ CFI add 0x77738c4000 + 0x3b000 libbase.so ]W linker  : [ Jumping to _start (0x61abb418e0)... ]W linker  : [ Android dynamic linker (64-bit) ]W linker  : [ Linking executable "/memfd:jit-cache (deleted)" ]W linker  : [ Linking "[vdso]" ]W linker  : [ Reading linker config "/linkerconfig/ld.config.txt" ]W linker  : [ Linking "/memfd:/jit-cache (deleted)" ]F linker  : CANNOT LINK EXECUTABLE "/data/local/tmp/payload": library "libicu.so" not found: needed by /system/lib64/libharfbuzz_ng.so in namespace (**default**)

看起来是命名空间的问题，我们的 payload 的命名空间为 default，但是为什么会这样呢，明明 memexec 是 unrestricted。

二


相知

通过 Google 搜索 android linker namespace 看到官方文档链接器命名空间（https://source.android.com/docs/core/architecture/vndk/linker-namespace?hl=zh-cn#how-does-it-work），在 /linkerconfig/ld.config.txt 文件中配置了相关信息。

dir.system = /system/bin/......dir.unrestricted = /data/nativetest64/unrestricteddir.isolated = /data/local/tmp/isolateddir.product = /data/local/tests/productdir.system = /data/local/tests/systemdir.unrestricted = /data/local/tests/unrestricteddir.vendor = /data/local/tests/vendordir.unrestricted = /data/local/tmp......[system]additional.namespaces = com_android_adbd,com_android_appsearch,com_android_art,com_android_conscrypt,com_android_i18n,com_android_media,com_android_neuralnetworks,com_android_os_statsd,com_android_resolv,com_android_runtime,com_android_tethering,rs,sphal,vndk,vndk_productnamespace.default.isolated = truenamespace.default.visible = truenamespace.default.search.paths = /system/${LIB}......

首先我们要知道这个文件可不可以写，查看 mount 信息发现该文件所在的不是只读文件系统，所以可以直接修改。

# cat /proc/mounts | grep linkerconfigtmpfs /linkerconfig tmpfs rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,size=5846680k,nr_inodes=1461670,mode=755 0 0tmpfs /linkerconfig tmpfs rw,seclabel,nosuid,nodev,noexec,relatime,size=5846680k,nr_inodes=1461670,mode=755 0 0

以下使用 /data/adb/magisk/busybox vi /linkerconfig/ld.config.txt 编辑文件

接

原来命名空间是根据路径来的，于是编辑该文件，在最前面手动加上一行

dir.unrestricted = /memfd:

然后重新执行，问题依旧。

化

难道是没有路径分割符的问题，于是在代码中给文件名加上一个 /

memfd_create(“/jit-cache”, MFD_CLOEXEC);

编译并重新执行，还是一样的报错。

发

尝试重新编辑，把它设置成根目录

dir.unrestricted = /

这次报错多了一行

WARNING: linker: /linkerconfig/ld.config.txt:1: warning: property value is empty (ignoring this line)

看样子是没办法通过单纯的改配置文件完成了，于是前往阅读linker的源码。

三

相识

由于aospxref服务最近不太稳定，我在看的时候刚好打不开，使用了android官方的源码在线浏览工具（https://cs.android.com/），然而这个玩意并不好用

众所周知，linker 的源码在 bionic/linker 目录下。

通过字符串 “Using config section” 定位到 linker_config.cpp 的 parse_config_file（https://cs.android.com/android/platform/superproject/+/master:bionic/linker/linker_config.cpp;bpv=1;bpt=1;l=182?gsn=parse_config_file&gs=kythe%3A%2F%2Fandroid.googlesource.com%2Fplatform%2Fsuperproject%3Flang%3Dc%252B%252B%3Fpath%3Dbionic%2Flinker%2Flinker_config.cpp%231A-Ye47njoFuvmSFn4MMAlVSs8FrDCQkXvfwVtzTk7o）函数，在阅读代码后，我们上面的尝试为什么会失败，就已经有了答案。

为什么设置 /memfd: 目录不行

line242（https://cs.android.com/android/platform/superproject/+/master:bionic/linker/linker_config.cpp;l=242;bpv=0;bpt=1）

if (access(value.c_str(), R_OK) != 0) {    if (errno == ENOENT) {        // no need to test for non-existing path. skip.        continue;    }    // If not accessible, don't call realpath as it will just cause    // SELinux denial spam. Use the path unresolved.    resolved_path = value;}

因为它不是一个真实存在的目录，在代码中通过 access 函数判断改路径不存在，所以不行。

为什么设置根目录不行

line227（https://cs.android.com/android/platform/superproject/+/master:bionic/linker/linker_config.cpp;l=227;bpv=0;bpt=1）

// remove trailing '/'while (!value.empty() && value.back() == '/') {    value.pop_back();} if (value.empty()) {    DL_WARN("%s:%zd: warning: property value is empty (ignoring this line)",            ld_config_file_path,            cp.lineno());    continue;}

因为代码中删除了末尾所有的/ 符号，传入根目录之后字符串变成了空字符串，于是抛出了那个Warning。

四

相杀

修改无非两个思路：

静态替换 linker
动态 hook

虽然有 magisk，替换 system 分区下文件变得方便了起来，但是替换 linker 依然是一件麻烦事，动态 Hook 对于解决这个问题来说，我觉得更加方便。由于目标代码位置的特殊性，现有 inline hook, plt hook 轮子都不能取得比 linker 更早的执行时机。

也许是我孤陋寡闻，如果有请务必告诉我。

最终我选择的方案是先 fork 生成一个子进程，对子进程进行 ptrace，修改逻辑后再 detach 掉。

对于逻辑的修改，主要有两步：

给 /linkerconfig/ld.config.txt 添加 "dir.unrestricted = /memfd:/\n”
让 access 这个目录返回 0

第一步

直接编辑该文件添加上述行即可。

第二步

bool mem_load(const std::string& image, char** argv, char** envp){    // 创建内存文件，设置这个参数会在exec后自动关闭这个文件    int fd = memfd_create("/jit-cache", MFD_CLOEXEC);    ftruncate(fd, (long)image.size()); // 设置文件长度    void *mem = mmap(nullptr, image.size(), PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);    memcpy(mem, image.data(), image.size());    munmap(mem, image.size());    // 此时已经将ELF内容写入到内存文件里面    int pid = fork();    if (pid < 0) {        printf("mem_load failed\n"); // fork 失败        return false;    } else if (pid == 0) {        // 这里是子进程，使用 PTRACE_TRACEME 主动建立连接        ptrace(PTRACE_TRACEME);        fexecve(fd, argv, envp);    }    // 这里是父进程    int status;    struct user_regs_struct regs{};    struct iovec iov{};    iov.iov_base = &regs;    iov.iov_len = sizeof(user_regs_struct);    while(true){        wait(&status); // 等待子进程暂停        if(WIFEXITED(status)){            break; // 子进程退出        }        // 读取通用寄存器，系统调用号        ptrace(PTRACE_GETREGSET, pid, NT_PRSTATUS, &iov);        if (regs.regs[8] == __NR_faccessat){ // access函数使用的系统调用号            char path[] = "/memfd:";            long word;            // 注意，PTRACE_PEEKDATA 固定一次读取 sizeof(long) 字节长度的内容            word = ptrace(PTRACE_PEEKDATA, pid, regs.regs[1], NULL);            if (strcmp(path, (char*)&word) == 0){ // 判断是否是我们添加的目录                ptrace(PTRACE_SINGLESTEP, pid, NULL, NULL); // 单步执行，让系统调用执行完                wait(nullptr); // 等待系统调用执行完                ptrace(PTRACE_GETREGSET, pid, NT_PRSTATUS, &iov); // 读取寄存器                regs.regs[0] = 0; // 修改返回值为寄存器                ptrace(PTRACE_SETREGSET, pid, NT_PRSTATUS, &iov); // 修改寄存器                ptrace(PTRACE_DETACH, pid, NULL, NULL); // detach 进程                return true;            }        }        ptrace(PTRACE_SYSCALL, pid, NULL, NULL); // 执行到下一个系统调用时暂停    }    return false;}