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Android深入四大组件系列
Android解析AMS系列
Android解析ClassLoader系列

前言

四大组件的插件化是插件化技术的核心知识点,而Activity插件化更是重中之重,Activity插件化主要有三种实现方式,分别是反射实现、接口实现和Hook技术实现。反射实现会对性能有所影响,主流的插件化框架没有采用此方式,关于接口实现可以阅读dynamic-load-apk的源码,这里不做介绍,目前Hook技术实现是主流,因此本篇文章主要介绍Hook技术实现。
Hook技术实现主要有两种解决方案 ,一种是通过Hook IActivityManager来实现,另一种是Hook Instrumentation实现。在讲到这两个解决方案前,我们需要从整体上了解Activity的启动流程。

1.Activity的启动过程回顾

Activity的启动过程主要分为两种,一种是根Activity的启动过程,一种是普通Activity的启动过程。关于根Activity的启动过程在在介绍过,这里来简单回顾下,如下图所示。
VlkMRI.png
图 1
首先Launcher进程向AMS请求创建根Activity,AMS会判断根Activity所需的应用程序进程是否存在并启动,如果不存在就会请求Zygote进程创建应用程序进程。应用程序进程启动后,AMS会请求应用程序进程创建并启动根Activity。
普通Activity和根Activity的启动过程大同小异,但是没有这么复杂,因为不涉及应用程序进程的创建,跟Laucher也没关系,如下图所示。
Vlkuid.png
图2
上图抽象的给出了普通Acticity的启动过程。在应用程序进程中的Activity向AMS请求创建普通Activity(步骤1),AMS会对
这个Activty的生命周期管和栈进行管理,校验Activity等等。如果Activity满足AMS的校验,AMS就会请求应用程序进程中的ActivityThread去创建并启动普通Activity(步骤2)。

2.Hook IActivityManager方案实现

AMS是在SystemServer进程中,我们无法直接进行修改,只能在应用程序进程中做文章。可以采用预先占坑的方式来解决没有在AndroidManifest.xml中显示声明的问题,具体做法就是在上图步骤1之前使用一个在AndroidManifest.xml中注册的Activity来进行占坑,用来通过AMS的校验。
接着在步骤2之后用插件Activity替换占坑的Activity,接下来根据这个解决方案我们来实践一下。

2.1 注册Activity进行占坑

为了更好的讲解启动插件Activity的原理,这里省略了插件Activity的加载逻辑,直接创建一个TargetActivity来代表已经加载进来的插件Activity,接着我们再创建一个SubActivity用来占坑。在AndroidManifest.xml中注册SubActivity,如下所示。
AndroidManifest.xml

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
package="com.example.liuwangshu.pluginactivity">S
<application
...
<activity android:name=".StubActivity"/>
</application>
</manifest>

TargetActivity用来代表已经加载进来的插件Activity,因此不需要在AndroidManifest.xml进行注册。如果我们直接在MainActivity中启动TargetActivity肯定会报错(android.content.ActivityNotFoundException异常)。

2.2 使用占坑Activity通过AMS验证

为了防止报错,需要将启动的TargetActivity替换为SubActivity,用SubActivity来通过AMS的验证。在第六章时讲过Android 8.0与7.0的AMS家族有一些差别,主要是Android 8.0去掉了AMS的代理ActivityManagerProxy,代替它的是IActivityManager,直接采用AIDL来进行进程间通信。
Android7.0的Activity的启动会调用ActivityManagerNative的getDefault方法,如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java

static public IActivityManager getDefault() {
return gDefault.get();
}
private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() {
protected IActivityManager create() {
IBinder b = ServiceManager.getService("activity");
if (false) {
Log.v("ActivityManager", "default service binder = " + b);
}
IActivityManager am = asInterface(b);
if (false) {
Log.v("ActivityManager", "default service = " + am);
}
return am;
}
};

getDefault方法返回了IActivityManager类型的对象,IActivityManager借助了Singleton类来实现单例,而且gDefault又是静态的,因此IActivityManager是一个比较好的Hook点。
Android8.0的Activity的启动会调用ActivityManager的getService方法,如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManager.java

public static IActivityManager getService() {
return IActivityManagerSingleton.get();
}

private static final Singleton<IActivityManager> IActivityManagerSingleton =
new Singleton<IActivityManager>() {
@Override
protected IActivityManager create() {
final IBinder b = ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_SERVICE);
final IActivityManager am = IActivityManager.Stub.asInterface(b);
return am;
}
};

同样的,getService方法返回了了IActivityManager类型的对象,并且IActivityManager借助了Singleton类来实现单例,确定了无论是Android7.0还是Android8.0,IActivityManager都是比较好的Hook点。Singleton类如下所示,后面会用到。
frameworks/base/core/java/android/util/Singleton.java

public abstract class Singleton<T> {
private T mInstance;
protected abstract T create();
public final T get() {
synchronized (this) {
if (mInstance == null) {
mInstance = create();
}
return mInstance;
}
}
}

由于Hook需要多次对字段进行反射操作,先写一个字段工具类FieldUtil:
FieldUtil.java

public class FieldUtil {
public static Object getField(Class clazz, Object target, String name) throws Exception {
Field field = clazz.getDeclaredField(name);
field.setAccessible(true);
return field.get(target);
}
public static Field getField(Class clazz, String name) throws Exception{
Field field = clazz.getDeclaredField(name);
field.setAccessible(true);
return field;
}
public static void setField(Class clazz, Object target, String name, Object value) throws Exception {
Field field = clazz.getDeclaredField(name);
field.setAccessible(true);
field.set(target, value);
}

其中setField方法不会马上用到,接着定义替换IActivityManager的代理类IActivityManagerProxy,如下所示。

public class IActivityManagerProxy implements InvocationHandler {
private Object mActivityManager;
private static final String TAG = "IActivityManagerProxy";
public IActivityManagerProxy(Object activityManager) {
this.mActivityManager = activityManager;
}
@Override
public Object invoke(Object o, Method method, Object[] args) throws Throwable {
if ("startActivity".equals(method.getName())) {//1
Intent intent = null;
int index = 0;
for (int i = 0; i < args.length; i++) {
if (args[i] instanceof Intent) {
index = i;
break;
}
}
intent = (Intent) args[index];
Intent subIntent = new Intent();//2
String packageName = "com.example.liuwangshu.pluginactivity";
subIntent.setClassName(packageName,packageName+".StubActivity");//3
subIntent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENT, intent);//4
args[index] = subIntent;//5
}
return method.invoke(mActivityManager, args);
}
}

Hook点IActivityManager是一个接口,建议采用动态代理。在注释1处拦截startActivity方法,接着获取参数args中第一个Intent对象,它是原本要启动插件TargetActivity的Intent。注释2、3处新建一个subIntent用来启动的StubActivity,注释4处将这个TargetActivity的Intent保存到subIntent中,便于以后还原TargetActivity。注释5处用subIntent赋值给参数args,这样启动的目标就变为了StubActivity,用来通过AMS的校验。
最后用代理类IActivityManagerProxy来替换IActivityManager,如下所示。

HookHelper.java

public class HookHelper {
public static final String TARGET_INTENT = "target_intent";
public static void hookAMS() throws Exception {
Object defaultSingleton=null;
if (Build.VERSION.SDK_INT >= 26) {//1
Class<?> activityManageClazz = Class.forName("android.app.ActivityManager");
//获取activityManager中的IActivityManagerSingleton字段
defaultSingleton= FieldUtil.getField(activityManageClazz ,null,"IActivityManagerSingleton");
} else {
Class<?> activityManagerNativeClazz = Class.forName("android.app.ActivityManagerNative");
//获取ActivityManagerNative中的gDefault字段
defaultSingleton= FieldUtil.getField(activityManagerNativeClazz,null,"gDefault");
}
Class<?> singletonClazz = Class.forName("android.util.Singleton");
Field mInstanceField= FieldUtil.getField(singletonClazz ,"mInstance");//2
//获取iActivityManager
Object iActivityManager = mInstanceField.get(defaultSingleton);//3
Class<?> iActivityManagerClazz = Class.forName("android.app.IActivityManager");
Object proxy = Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(),
new Class<?>[] { iActivityManagerClazz }, new IActivityManagerProxy(iActivityManager));
mInstanceField.set(defaultSingleton, proxy);
}
}

首先在注释1处对系统版本进行区分,最终获取的是 Singleton<IActivityManager>类型的IActivityManagerSingleton或者gDefault字段。注释2处获取Singleton类中的mInstance字段,从前面Singleton类的代码可以得知mInstance字段的类型为T,在注释3处得到IActivityManagerSingleton或者gDefault字段中的T的类型,T的类型为IActivityManager。最后动态创建代理类IActivityManagerProxy,用IActivityManagerProxy来替换IActivityManager。
自定义一个Application,在其中调用HookHelper 的hookAMS方法,如下所示。
MyApplication.java

public class MyApplication extends Application {
@Override
public void attachBaseContext(Context base) {
super.attachBaseContext(base);
try {
HookHelper.hookAMS();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

在MainActivity中启动TargetActivity,如下所示。
MainActivity.java

public class MainActivity extends Activity {
private Button bt_hook;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
bt_hook = (Button) this.findViewById(R.id.bt_hook);
bt_hook.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View view) {
Intent intent = new Intent(MainActivity.this, TargetActivity.class);
startActivity(intent);
}
});
}
}

点击Button时,启动的并不是TargetActivity而是SubActivity,同时Log中打印了”hook成功”,说明我们已经成功用SubActivity通过了AMS的校验。

2.3 还原插件Activity

前面用占坑Activity通过了AMS的校验,但是我们要启动的是插件TargetActivity,还需要用插件TargetActivity来替换占坑的SubActivity,这一替换的时机就在图2的步骤2之后。
ActivityThread启动Activity的过程,如图3所示。
Vlk1QP.png

图3

ActivityThread会通过H将代码的逻辑切换到主线程中,H类是ActivityThread的内部类并继承自Handler,如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

private class H extends Handler {
public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
public static final int PAUSE_ACTIVITY = 101;
...
public void handleMessage(Message msg) {
if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, ">>> handling: " + codeToString(msg.what));
switch (msg.what) {
case LAUNCH_ACTIVITY: {
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStart");
final ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord) msg.obj;

r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
r.activityInfo.applicationInfo, r.compatInfo);
handleLaunchActivity(r, null, "LAUNCH_ACTIVITY");
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
} break;
...
}
...
}

H中重写的handleMessage方法会对LAUNCH_ACTIVITY类型的消息进行处理,最终会调用Activity的onCreate方法。那么在哪进行替换呢?接着来看Handler的dispatchMessage方法:
frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java

public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}

Handler的dispatchMessage用于处理消息,看到如果Handler的Callback类型的mCallback不为null,就会执行mCallback的handleMessage方法。因此,mCallback可以作为Hook点,我们可以用自定义的Callback来替换mCallback,自定义的Callback如下所示。
HCallback.java

public class HCallback implements Handler.Callback{
public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
Handler mHandler;
public HCallback(Handler handler) {
mHandler = handler;
}
@Override
public boolean handleMessage(Message msg) {
if (msg.what == LAUNCH_ACTIVITY) {
Object r = msg.obj;
try {
//得到消息中的Intent(启动SubActivity的Intent)
Intent intent = (Intent) FieldUtil.getField(r.getClass(), r, "intent");
//得到此前保存起来的Intent(启动TargetActivity的Intent)
Intent target = intent.getParcelableExtra(HookHelper.TARGET_INTENT);
//将启动SubActivity的Intent替换为启动TargetActivity的Intent
intent.setComponent(target.getComponent());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
mHandler.handleMessage(msg);
return true;
}
}

HCallback实现了Handler.Callback,并重写了handleMessage方法,当收到消息的类型为LAUNCH_ACTIVITY时,将启动SubActivity的Intent替换为启动TargetActivity的Intent。接着我们在HookHelper中定义一个hookHandler方法如下所示。

HookHelper.java

public static void hookHandler() throws Exception {
Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
Object currentActivityThread= FieldUtil.getField(activityThreadClass ,null,"sCurrentActivityThread");//1
Field mHField = FieldUtil.getField(activityThread,"mH");//2
Handler mH = (Handler) mHField.get(currentActivityThread);//3
FieldUtil.setField(Handler.class,mH,"mCallback",new HCallback(mH));
}

ActivityThread类中有一个静态变量sCurrentActivityThread,用于表示当前的ActivityThread对象,因此在注释1处获取ActivityThread中定义的sCurrentActivityThread对象。注释2处获取ActivityThread类的mH字段,接着在注释3处获取当前ActivityThread对象中的mH对象,最后用HCallback来替换mH中的mCallback。
在MyApplication的attachBaseContext方法中调用HookHelper的hookHandler方法,运行程序,当我们点击启动插件按钮,发现启动的是插件TargetActivity。

2.4 插件Activity的生命周期

插件TargetActivity确实启动了,但是它有生命周期吗?这里从源码角度来进行分析,Activity的finish方法可以触发Activity的生命周期变化,和Activity的启动过程类似,finish方法如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java

public void finish() {
finish(DONT_FINISH_TASK_WITH_ACTIVITY);
}
private void finish(int finishTask) {
if (mParent == null) {
int resultCode;
Intent resultData;
synchronized (this) {
resultCode = mResultCode;
resultData = mResultData;
}
if (false) Log.v(TAG, "Finishing self: token=" + mToken);
try {
if (resultData != null) {
resultData.prepareToLeaveProcess(this);
}
if (ActivityManager.getService()
.finishActivity(mToken, resultCode, resultData, finishTask)) {//1
mFinished = true;
}
} catch (RemoteException e) {
// Empty
}
} else {
mParent.finishFromChild(this);
}
}

finish方法的调用链和Activity的启动过程是类似的,注释1处会调用的AMS的finishActivity方法,接着是AMS通过ApplicationThread调用ActivityThread,ActivityThread向H发送DESTROY_ACTIVITY类型的消息,H接收到这个消息会执行handleDestroyActivity方法,handleDestroyActivity方法又调用了performDestroyActivity方法,如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

private ActivityClientRecord performDestroyActivity(IBinder token, boolean finishing,
int configChanges, boolean getNonConfigInstance) {
ActivityClientRecord r = mActivities.get(token);//1
...
try {
r.activity.mCalled = false;
mInstrumentation.callActivityOnDestroy(r.activity);//2
...
} catch (SuperNotCalledException e) {
...
}
}
mActivities.remove(token);
StrictMode.decrementExpectedActivityCount(activityClass);
return r;

注释1处通过IBinder类型的token来获取ActivityClientRecord,ActivityClientRecord用于描述应用进程中的Activity。在注释2处调用Instrumentation的callActivityOnDestroy方法来调用Activity的OnDestroy方法,并传入了r.activity。前面的例子我们用SubActivity替换了TargetActivity通过了AMS的校验,这样AMS只知道SubActivity的存在,那么AMS是如何能控制TargetActivity生命周期的回调的?我们接着往下看,启动Activity时会调用ActivityThread的performLaunchActivity方法,如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
...

java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
activity = mInstrumentation.newActivity(
cl, component.getClassName(), r.intent);//1
...
activity.attach(appContext, this, getInstrumentation(), r.token,
r.ident, app, r.intent, r.activityInfo, title, r.parent,
r.embeddedID, r.lastNonConfigurationInstances, config,
r.referrer, r.voiceInteractor, window, r.configCallback);
...
mActivities.put(r.token, r);//2
...
return activity;
}

注释1处根据Activity的类名用ClassLoader加载Acitivty,接着调用Activity的attach方法,将r.token赋值给Activity的成员变量mToken。在注释2处将ActivityClientRecord根据r.token存在mActivities中(mActivities类型为ArrayMap<IBinder, ActivityClientRecord> ),再结合Activity的finish方法的注释1处,可以得出结论:AMS和ActivityThread之间的通信采用了token来对Activity进行标识,并且此后的Activity的生命周期处理也是根据token来对Activity进行标识的。
回到我们这个例子来,我们在Activity启动时用插件TargetActivity替换占坑SubActivity,这一过程在performLaunchActivity方法调用之前,因此注释2处的r.token指向的是TargetActivity,在performDestroyActivity的注释1处获取的就是代表TargetActivity的ActivityClientRecord,可见TargetActivity是具有生命周期的。

3.Hook Instrumentation方案实现

Hook Instrumentation实现要比Hook IActivityManager实现要简洁一些,示例代码会和Hook IActivityManager实现有重复,重复的部分这里不再赘述。
Hook Instrumentation实现同样也需要用到占坑Activity,与Hook IActivityManager实现不同的是,用占坑Activity替换插件Activity以及还原插件Activity的地方不同。Acitivty的startActivity方法调用时序图如图4所示。
VlkQzt.png
图4
从图4可以发现,在Activity通过AMS校验前,会调用Activity的startActivityForResult方法:
frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java

public void startActivityForResult(@RequiresPermission Intent intent, int requestCode,
@Nullable Bundle options) {
if (mParent == null) {
options = transferSpringboardActivityOptions(options);
Instrumentation.ActivityResult ar =
mInstrumentation.execStartActivity(
this, mMainThread.getApplicationThread(), mToken, this,
intent, requestCode, options);
...
} else {
...
}
}

startActivityForResult方法中调用了Instrumentation的execStartActivity方法来激活Activity的生命周期。
如图3所示,ActivityThread启动Activity的过程中会调用ActivityThread的performLaunchActivity方法,如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {       
...
//创建要启动Activity的上下文环境
ContextImpl appContext = createBaseContextForActivity(r);
Activity activity = null;
try {
java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
//用类加载器来创建Activity的实例
activity = mInstrumentation.newActivity(
cl, component.getClassName(), r.intent);//1
...
} catch (Exception e) {
...
}
...
return activity;
}

注释1处调用了mInstrumentation的newActivity方法,其内部会用类加载器来创建Activity的实例。看到这里我们可以得到方案,就是在Instrumentation的execStartActivity方法中用占坑SubActivity来通过AMS的验证,在Instrumentation的newActivity方法中还原TargetActivity,这两部操作都和Instrumentation有关,因此我们可以用自定义的Instrumentation来替换掉mInstrumentation。首先我们自定义一个Instrumentation,在execStartActivity方法中将启动的TargetActivity替换为SubActivity,如下所示。
InstrumentationProxy.java

public class InstrumentationProxy extends Instrumentation {
private Instrumentation mInstrumentation;
private PackageManager mPackageManager;
public InstrumentationProxy(Instrumentation instrumentation, PackageManager packageManager) {
mInstrumentation = instrumentation;
mPackageManager = packageManager;
}
public ActivityResult execStartActivity(
Context who, IBinder contextThread, IBinder token, Activity target,
Intent intent, int requestCode, Bundle options) {
List<ResolveInfo> infos = mPackageManager.queryIntentActivities(intent, PackageManager.MATCH_ALL);
if (infos == null || infos.size() == 0) {
intent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENsT_NAME, intent.getComponent().getClassName());//1
intent.setClassName(who, "com.example.liuwangshu.pluginactivity.StubActivity");//2
}
try {
Method execMethod = Instrumentation.class.getDeclaredMethod("execStartActivity",
Context.class, IBinder.class, IBinder.class, Activity.class, Intent.class, int.class, Bundle.class);
return (ActivityResult) execMethod.invoke(mInstrumentation, who, contextThread, token,
target, intent, requestCode, options);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}

首先查找要启动的Activity是否已经在AndroidManifest.xml中注册了,如果没有就在注释1处将要启动的Activity(TargetActivity)的ClassName保存起来用于后面还原TargetActivity,接着在注释2处替换要启动的Activity为StubActivity,最后通过反射调用execStartActivity方法,这样就可以用StubActivity通过AMS的验证。在InstrumentationProxy 的newActivity方法还原TargetActivity,如下所示。
InstrumentationProxy.java

public Activity newActivity(ClassLoader cl, String className, Intent intent) throws InstantiationException,
IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
String intentName = intent.getStringExtra(HookHelper.TARGET_INTENT_NAME);
if (!TextUtils.isEmpty(intentName)) {
return super.newActivity(cl, intentName, intent);
}
return super.newActivity(cl, className, intent);
}

newActivity方法中创建了此前保存的TargetActivity,完成了还原TargetActivity。
编写hookInstrumentation方法,用InstrumentationProxy替换mInstrumentation:
HookHelper.java

public static void hookInstrumentation(Context context) throws Exception {
Class<?> contextImplClass = Class.forName("android.app.ContextImpl");
Field mMainThreadField =FieldUtil.getField(contextImplClass,"mMainThread");//1
Object activityThread = mMainThreadField.get(context);//2
Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
Field mInstrumentationField=FieldUtil.getField(activityThreadClass,"mInstrumentation");//3
FieldUtil.setField(activityThreadClass,activityThread,"mInstrumentation",new InstrumentationProxy((Instrumentation) mInstrumentationField.get(activityThread),
context.getPackageManager()));
}

注释1处获取ContextImpl类的ActivityThread类型的mMainThread字段,注释2出获取当前上下文环境的ActivityThread对象。
注释3出获取ActivityThread类中的mInstrumentation字段,最后用InstrumentationProxy来替换mInstrumentation。
在MyApplication的attachBaseContext方法中调用HookHelper的hookInstrumentation方法,运行程序,当我们点击启动插件按钮,发现启动的是插件TargetActivity。

4. 总结

这一节我们学到了启动插件Activity的原理,主要的方案就是先用一个在AndroidManifest.xml中注册的Activity来进行占坑,用来通过AMS的校验,接着在合适的时机用插件Activity替换占坑的Activity。为了更好的讲解启动插件Activity的原理,本小节省略了插件Activity的加载逻辑,直接创建一个TargetActivity来代表已经加载进来的插件Activity。同时这一节使我们更好的理解了Activity的启动过程。更多的Android插件化原理请查看即将要出版的《Android进阶之光》续作。