Android bpf简单上手教程

背景

业界对Android的性能监控、hook、系统分析、抓包、逆向等领域的关注和投入在不断提升，作为Linux Kernel中新兴的优美的一套技术框架，bpf逐渐在Android中被用于监控、分析、优化和逆向，产出了众多的工具。此外，Google原生系统的上层服务（如网络流量统计、网络黑白名单）也转向使用ebpf来实现。

bpf可以理解成Kernel的虚拟机字节码，它借助C语言编译成特定的ELF，通过专用的系统调用注册到Kernel，挂载到指定的tracepoint，进行代码流程的hook，与App的插桩、性能优化的检查点非常类似。

本文以Android源码AOSP为基础，讲解一个bpf程序应该如何被编译、集成到系统、在系统中启动/运行，并使用C语言编写了一个可以实际运行的bpf程序（github.com/NasdaqGodzi…）。

编译

常规的C语言bpf程序需要编译为Kernel BPF子系统能够识别的专用字节码，Android采用了一套独特的编译系统（Android.bp）来包装包含bpf程序在内的编译流程。

一个最简单的bpf编译描述如下：

bpf {
    name: "cpu_stats.o",
    srcs: ["cpu_stats.c"],
    cflags: [
        "-Wall",
        "-Werror",
    ],
}

这段写在Android.bp内的bpf代码声明了需要编译一个名称为cpu_stats.o的bpf程序，srcs指定了其源文件，cflags指定了向编译器传递的编译参数。

前面说过，一个bpf程序，从结构上说是一个elf，从逻辑上说是一个被Kernel BPF虚拟机加载后才能执行的字节码（类似JS解释器加载JS），因此它编译期间不会发生链接，不会产生可执行bin文件，也不能直接执行。

通过AOSP的模块编译指令即可编译：

m cpu_stats.o

集成

常规的bpf程序有多种集成方式，包括调用bpf()、通过python、bpftrace等（本质也是bpf()）调用。但出于安全和效率的原因，Android屏蔽了bpf()，仅提供了bpf loader在开机阶段加载预置的bpf程序，在开机后，系统就不能再加载任何bpf程序了。

bpf loader会加载存放在/system/etc/bpf目录下的所有bpf程序，因此将我们编译出来的bpf程序放入该路径（或通过Android.bp、Android.mk等预置）即可让系统自动为我们加载我们的bpf程序：

adb push cpu_stats.o /system/etc/bpf
adb push cpu_stats_client /system/bin/

这里我们还push了一个cpu_stats_client，稍后解释它的作用。

push后，重启设备，让Android自动加载这个bpf程序，加载成功的话日志大概长这样：

LibBpfLoader: Loading ELF object /system/etc/bpf/cpu_stats.o with license GPL
LibBpfLoader: Loaded code section 3 (tracepoint_sched_sched_switch)
LibBpfLoader: Loaded relo section 3 (.reltracepoint/sched/sched_switch)
LibBpfLoader: Adding section 3 to cs list
LibBpfLoader: bpf_create_map name cpu_stats_map, ret: 27
LibBpfLoader: map_fd found at 0 is 27 in /system/etc/bpf/cpu_stats.o
LibBpfLoader: applying relo to instruction at byte offset: 144,               insn offset 18 , insn 118
LibBpfLoader: New bpf core prog_load for /system/etc/bpf/cpu_stats.o (tracepoint_sched_sched_switch) returned: 28
bpfloader: Attempted load object: /system/etc/bpf/cpu_stats.o, ret: Success

启动

系统启动时，会自动把上述目录的bpf程序交给内核进行加载。内核为了安全，会进行字节码分析，检测待加载的bpf程序是否带有Bug如越界、空指针、死循环等，以此来排除崩溃风险和恶意攻击。如果程序没有什么问题，就会成功加载。

加载成功的一个标志是，bpf程序定义的map（bpf的数据结构，稍后解释）会出现在指定目录下：

local@device:/ # ls /sys/fs/bpf/map_cpu_stats_cpu_stats_map
/sys/fs/bpf/map_cpu_stats_cpu_stats_map

这个map由bpf程序在代码里面通过函数定义得到，当bpf程序hook命中时，Kernel会回调bpf程序，bpf程序通常将其业务逻辑中产生的需要存储的数据保存在这个map里面。这个map的两大主要作用，一是让bpf程序能够保存数据（因为bpf程序即不能使用内核的栈、堆，也不能使用被hook命中的应用程序的栈、堆），二是这个map可以让应用程序读取到，是一种bpf程序向应用程序进行通信的方式，bpf程序可以往这个map写东西，向用户态应用程序通信。

程序解释

从bpf程序本身的结构来看，bpf程序主要有两大部分组成：1. 指定的hook点以及这个hook点的处理函数，用于hook；2. 定义的bpf map，用于存储数据。

执行hook并保存数据

1. 通过DEFINE_BPF_MAP来创建bpf map

2. 通过SEC()来指定hook点，当kernel对应事件发生时，会回调SEC指定的函数

3. SEC指定的回调函数内执行hook逻辑，可以向bpf map读写数据，用于存储数据，或用于向用户态应用程序传递信息

DEFINE_BPF_MAP(cpu_stats_map, LRU_HASH, CPU_STATS_BPFMAP_KEY, CPU_STATS_BPFMAP_VALUE, CPU_STATS_MAXENTRIES);

// DEFINE_BPF_PROG("tracepoint/sched/sched_switch", AID_ROOT, AID_NET_ADMIN, cpu_stats_tp_sched_switch) (struct switch_args* args) {
SEC("tracepoint/sched/sched_switch")
int cpu_stats_tp_sched_switch(struct switch_args* args) {
    CPU_STATS_BPFMAP_KEY ktime_ns = bpf_ktime_get_ns();
    CPU_STATS_BPFMAP_VALUE record = {
        .ktime_ns = ktime_ns,
        .smp_id = bpf_get_smp_processor_id(),
        .uid_gid = bpf_get_current_uid_gid(),
        .pid_tgid = bpf_get_current_pid_tgid(),
    };
    memset(record.comm, '\0', sizeof(record.comm));
    memcpy(record.comm, args->next_comm, sizeof(record.comm));

    bpf_cpu_stats_map_update_elem(&ktime_ns, &record, BPF_ANY);

    return 0;
}

char _license[] SEC("license") = "GPL";

读取数据

前面“集成”小节里面示例命令有将一个cpu_stats_client push到/system/bin，实际上它就是用来读取数据的工具。

1. 通过bpf_obj_get()来取得bpf程序和bpf map的句柄（不是使用常规的fd open）

2. 通过android::bpf::BpfMap来遍历bpf map里面的所有数据（Key-Value对）

可以访问文章开头的Github链接查看完整代码

总结

bpf提供了强大的功能，凭借数量众多的tracepoint和kprobe，绝大多数位置都能提供hook，在不修改内核的情况下能实现非常精彩的业务逻辑，在Android上必然能发挥重要作用。