VirtualApp沙盒基本原理

VirtualApp是一个开源的Android App虚拟化引擎，允许在其中创建虚拟空间，并在这个虚拟空间中运行其他应用。通过阅读源码及动态调试，基本了解了其运行原理，在此记录。

本质

Android应用隔离是基于Linux系统的多用户机制实现的，即每个应用在安装时被分配了不同的Linux用户uid/gid。而在VirtualApp中，client应用（通过VirtualApp安装的应用）与host应用（即VirtualApp本身）是具有相同用户uid的。

因此，VirtualApp在运行时，包含以下三部分：

Main Process，进程名io.virtualapp，主要负责VirtualApp用户界面及应用管理
Server Process，进程名io.virtualapp:x，主要负责系统服务的代理，是通过Content Provider启动的
VApp Process，进程名io.virtualapp:p[0-…]，作为将来运行client应用的进程，当client应用启动后，其进程名会更新为client应用的包名

下面是在VirtualApp中运行应用后通过ps命令得到的结果：

generic_x86:/ $ ps |grep u0_a60
u0_a60    2385  1258  996260 54456 SyS_epoll_ 00000000 S io.virtualapp
u0_a60    2412  1258  980940 48272 SyS_epoll_ 00000000 S io.virtualapp:x
u0_a60    3705  1258  993632 54472 SyS_epoll_ 00000000 S org.galaxy.simpleapp

可以看到，以上进程，均是以VirtualApp的用户uid运行的。因此，Android应用隔离此时不再适用，我们可以对client应用进行hook而无需root权限。

运行流程

从启动VirtualApp到运行其中的应用，大致流程如下：

启动host应用

我们启动VirtualApp，其Application为io.virtualapp.VApp。在attachBaseContext()方法中会调用到com.lody.virtual.client.core.PatchManager#injectInternal，但此时为Main Process，不进行系统服务的替换。

启动Server Process

host应用会进行一些初始化，其中就包括获取全部已安装应用，这会调用到com.lody.virtual.client.core.VirtualCore#getAllApps。而这一方法最终会访问com.lody.virtual.server.BinderProvider。由AndroidManifest.xml可知，该provider会运行在新进程io.virtualapp:x中，即Server Process。

由于在新进程中启动组件，同样会首先创建该应用的Application，因此也会调用到com.lody.virtual.client.core.PatchManager#injectInternal。此时，会进行相应系统服务(ActivityManager和PackageManager)的代理构造和替换。

启动VApp Process

点击一个已安装应用，此时会通过替换掉的系统服务访问真实的系统服务（主要是ActivityManager），并在新进程中启动组件com.lody.virtual.client.stub.StubActivity.C0。由AndroidManifest.xml可知，该进程具有后缀:p0。

同样的，在该Activity组件启动之前会初始化io.virtualapp.VApp，并在com.lody.virtual.client.core.PatchManager#injectInternal中完成系统服务的代理构造和替换。

启动client应用

此时，真正的client应用尚未启动，进程io.virtualapp:p0仅仅是作为一个placeholder。StubActivity会从Intent中获取到client应用的相关信息，并修改自身ActivityThread的handler。随后调用startActivity启动client应用。

由于之前Server Process和VApp Process都已完成了相关系统服务的替换，这里会完成client应用的bindApplication调用、构造client应用的LoadedApk，并通过反射完成真正的Application和Activity的创建。

最终，client应用便运行在了我们的VApp Process中。

系统服务的代理和替换

VirtualApp之所以能够实现虚拟空间，是因为其对许多系统服务进行了代理和替换。因此，这部分便是整个框架的核心。系统服务运行在system_server中，Android应用调用系统服务，是通过Binder机制进行IPC。因此，应用所持有的是系统服务的BinderProxy，通过对这些BinderProxer构造代理并替换，便实现了对系统服务的代理和替换。

具体地，我们以com.lody.virtual.client.hook.patchs.am.ActivityManagerPatch为例，这个类实现了对ActivityManager服务的代理和替换。

代理的构造

可以看到，这个类的注记中包含了大量类名：

@Patch({StartActivity.class, StartActivityAsCaller.class,
        StartActivityAndWait.class, StartActivityWithConfig.class, StartActivityIntentSender.class,
        StartNextMatchingActivity.class, StartVoiceActivity.class,
        GetIntentSender.class, RegisterReceiver.class, GetContentProvider.class,
        GetContentProviderExternal.class,
        ...

而这些列出的每一个类，对应于一个方法的hook，例如，com.lody.virtual.client.hook.patchs.am.StartActivity是ActivityManager服务的startActivity方法的hook。这些类均继承自com.lody.virtual.client.hook.base.Hook，包含了方法beforeCall(), call(), afterCall()，这些方法便是hook的具体内容。

ActivityManagerPatch在创建时，会调用到其父类的方法com.lody.virtual.client.hook.base.PatchDelegate#onBindHooks。这里会检查上述注记中列出的hook，并对符合条件的hook调用addHook()方法：

        ...
        Class<? extends PatchDelegate> clazz = getClass();
        Patch patch = clazz.getAnnotation(Patch.class);
        int version = Build.VERSION.SDK_INT;
        if (patch != null) {
            Class<?>[] hookTypes = patch.value();
            for (Class<?> hookType : hookTypes) {
                ApiLimit apiLimit = hookType.getAnnotation(ApiLimit.class);
                boolean needToAddHook = true;
                if (apiLimit != null) {
                    int apiStart = apiLimit.start();
                    int apiEnd = apiLimit.end();
                    boolean highThanStart = apiStart == -1 || version > apiStart;
                    boolean lowThanEnd = apiEnd == -1 || version < apiEnd;
                    if (!highThanStart || !lowThanEnd) {
                        needToAddHook = false;
                    }
                }
                if (needToAddHook) {
                    addHook(hookType);
                }
        ...

而addHook()最终会调用到com.lody.virtual.client.hook.base.HookDelegate#addHook，其实质便是将这个hook添加至映射表internalHookTable中：

    public Hook addHook(Hook hook) {
        if (hook != null && !TextUtils.isEmpty(hook.getName())) {
            if (internalHookTable.containsKey(hook.getName())) {
                VLog.w(TAG, "The Hook(%s, %s) you added has been in existence.", hook.getName(),
                        hook.getClass().getName());
                return hook;
            }
            internalHookTable.put(hook.getName(), hook);
        }
        return hook;
    }

internalHookTable维护了所有的hook，以hook的名称（一般就是所hook的方法的名称）作为key。随后，在com.lody.virtual.client.hook.base.HookDelegate.HookHandler的invoke()方法中，查找表 internalHookTable中是否包含将要执行的方法名；如果有，则依次执行对应hook的beforeCall(), call(), afterCall()：

    private class HookHandler implements InvocationHandler {
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
            Hook hook = getHook(method.getName());
            try {
                if (hook != null && hook.isEnable()) {
                    if (hook.beforeCall(mBaseInterface, method, args)) {
                        Object res = hook.call(mBaseInterface, method, args);
                        res = hook.afterCall(mBaseInterface, method, args, res);
                        return res;
                    }
                }
                return method.invoke(mBaseInterface, args);

而这里的类HookHandler，就是构造的Java代理的Handler：

    public HookDelegate(T baseInterface, Class<?>... proxyInterfaces) {
        this.mBaseInterface = baseInterface;
        if (baseInterface != null) {
            if (proxyInterfaces == null) {
                proxyInterfaces = HookUtils.getAllInterface(baseInterface.getClass());
            }
            mProxyInterface = (T) Proxy.newProxyInstance(baseInterface.getClass().getClassLoader(), proxyInterfaces, new HookHandler());

对于ActivityManagerPatch来说，这里的baseInterface便是原始的BinderProxy: ActivityManagerProxy

    public ActivityManagerPatch() {
        super(new HookDelegate<IInterface>(ActivityManagerNative.getDefault.call()));
    }

综上，我们根据baseInterface，为其构造了代理mProxyInterface。从而访问mProxyInterface时，便会执行HookHandler的invoke()方法，进而查找internalHookTable，对设置了hook的方法执行hook。

系统服务的替换

如之前所说，对系统服务的替换，是通过对应用所持有的系统服务的BinderProxy进行替换的。以上是构造代理的基本过程，那么如何将应用所持有的BinderProxy替换成我们构造的代理呢？回到ActivityManagerPatch，这个类的inject()方法完成了实际的替换工作：

    @Override
    public void inject() throws Throwable {
        if (ActivityManagerNative.gDefault.type() == IActivityManager.TYPE) {
            ActivityManagerNative.gDefault.set(getHookDelegate().getProxyInterface());

        } else if (ActivityManagerNative.gDefault.type() == Singleton.TYPE) {
            Object gDefault = ActivityManagerNative.gDefault.get();
            Singleton.mInstance.set(gDefault, getHookDelegate().getProxyInterface());
        }
        ...

ActivityManagerNative.gDefault便是应用所持有的原始ActivityManagerProxy对象，通过Java反射，将替换成为getHookDelegate().getProxyInterface()。而替换的内容，便是我们所构造的代理mProxyInterface。

由此，我们完成了对系统服务进行代理和替换的整个过程。随后，在调用系统服务时，便会执行以下操作：

访问BinderProxy的代理，即我们设置了hook的代理
根据hook的具体内容操作，对数据进行处理；需要调用原始系统服务时，访问原始的BinderProxy
真正的系统服务接收到Binder，进行处理并返回

总结

通过以上介绍可以看到，VirtualApp在原有系统服务之上构造了代理，进而为其中的应用搭建了一套虚拟环境，应用可以无感知地运行在这其中。更进一步，我们可以设置这套虚拟环境，使其实现应用多开、非侵入式应用hook等高级功能。