Android下的系统调用 (syscall)，内联汇编syscall

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什么是系统调用 (syscall)

系统调用是操作系统提供给应用程序的一组接口，允许用户空间程序与内核进行交互。

在 Android（基于 Linux 内核）中，系统调用由 软中断 实现，通常通过 svc 指令（在 ARM 架构中）触发。系统调用会将 CPU 从用户模式切换到内核模式，使得程序可以执行更高权限的操作。

Android 使用的 C 库是 Bionic，它是为移动设备优化的轻量级 C 库。对应的模块为 libc.so。

Bionic 提供了对系统调用的封装。大多数标准库函数（如 printf、malloc、pthread_create）都通过 Bionic 实现，底层调用了相应的系统调用。

在 NDK 目录中可以找到相关的系统调用号定义头文件。例如

<NDK_PATH>\27.1.12297006\toolchains\llvm\prebuilt\windows-x86_64\sysroot\usr\include\asm-generic\unistd.h

搜索 bionic 模块 可以找到不同CPU架构下的 syscall 实现

在 http://androidxref.com/9.0.0_r3/xref/bionic/libc/arch-arm/syscalls/ 可以找到 Android 中所有系统调用的汇编代码文件

syscall 在 Android 上的应用场景

系统工具和调试：如 strace、lsof 等工具，通过 syscall 获取系统状态。

安全与反调试：某些安全检测和反调试技术会直接使用 syscall 绕过标准的 libc 函数，以防止被 hook。

嵌入式开发：在一些嵌入式系统中，开发者需要直接控制硬件，这时通常会使用 syscall。

如何在 Android 中使用 syscall

假设我们希望通过 syscall 直接读取文件内容，编写 native 方法代码如下

// 引入必要的头文件
#include <jni.h>
#include <string>
#include <fcntl.h>          // 文件控制定义（如 O_RDONLY）
#include <unistd.h>         // 系统调用号（如 __NR_openat）
#include <sys/syscall.h>    // 系统调用函数
#include <android/log.h>

#define LOG_TAG "syscall-lib.cpp"

// 定义 Android 日志宏，用于输出信息级别日志
#define LOGI(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, LOG_TAG, __VA_ARGS__)

// 使用 extern "C" 告诉编译器按照 C 语言的方式来编译和链接这个函数
extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_cyrus_example_syscall_SyscallActivity_readFileWithSyscall(JNIEnv *env, jobject,
                                                                   jstring path) {
    // 将 Java 字符串 (jstring) 转换为 C 字符串 (const char *)
    const char *filePath = env->GetStringUTFChars(path, nullptr);

    // 使用 syscall 系统调用打开文件
    // __NR_openat 是 openat() 系统调用的调用号
    // AT_FDCWD 表示使用当前工作目录
    // O_RDONLY 表示以只读方式打开文件
    int fd = syscall(__NR_openat, AT_FDCWD, filePath, O_RDONLY);

    // 如果文件打开失败，返回错误信息
    if (fd < 0) {
        // 释放通过 GetStringUTFChars 分配的资源
        env->ReleaseStringUTFChars(path, filePath);
        return env->NewStringUTF("Failed to open file");
    }

    // 定义一个缓冲区，用于存储文件内容
    char buffer[1024];

    // 使用 syscall 系统调用读取文件内容
    // __NR_read 是 read() 系统调用的调用号
    // 读取的内容存储到 buffer 中，最多读取 sizeof(buffer) - 1 字节
    ssize_t bytesRead = syscall(__NR_read, fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);

    // 如果读取失败，返回错误信息
    if (bytesRead < 0) {
        // 关闭文件描述符
        syscall(__NR_close, fd);

        // 释放通过 GetStringUTFChars 分配的资源
        env->ReleaseStringUTFChars(path, filePath);
        return env->NewStringUTF("Failed to read file");
    }

    // 使用 syscall 系统调用关闭文件
    syscall(__NR_close, fd);

    // 释放通过 GetStringUTFChars 分配的资源
    env->ReleaseStringUTFChars(path, filePath);

    // 确保缓冲区以 '\0' 结尾（C 字符串需要以 '\0' 作为结束符）
    buffer[bytesRead] = '\0';

    // 输出读取到的文件内容到控制台
    printf("File content: %s\n", buffer);

    // 将读取到的文件内容转换为 Java 字符串 (jstring) 并返回
    return env->NewStringUTF(buffer);
}

代码中用到的系统调用号 __NR_openat 对应的的 openat 方法签名如下

int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, ... /* mode_t mode */ );

具体可参考 Linux 手册：https://man7.org/linux/man-pages/man2/open.2.html

调用 native 方法读取文件并显示文件内容

package com.cyrus.example.syscall

import android.os.Bundle
import android.widget.Button
import android.widget.Toast
import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity
import com.cyrus.example.R

class SyscallActivity : AppCompatActivity() {

    // 加载 native 库
    init {
        System.loadLibrary("syscall-lib")
    }

    external fun readFileWithSyscall(path: String): String

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_syscall)

        findViewById<Button>(R.id.button_syscall).setOnClickListener {
            // 指定文件路径
            val filePath = "/data/local/tmp/test.txt"

            // 调用 native 方法读取文件内容
            val fileContent = readFileWithSyscall(filePath)

            // 显示 Toast
            Toast.makeText(this, fileContent, Toast.LENGTH_SHORT).show()
        }
    }

}

配置 CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

find_library( # Sets the name of the path variable.
        log-lib

        # Specifies the NDK library that you want CMake to locate.
        log)

add_library( # 设置库的名称
        syscall-lib

        # 设置库的类型
        SHARED

        # 设置源文件路径
        syscall-lib.cpp)

target_link_libraries( # 将 log 库链接到目标库
        syscall-lib
        ${log-lib})

进入 adb shell，创建文件 test.txt，并输入内容为 hello syscall

adb shell

wayne:/ # cd /data/local/tmp/
wayne:/data/local/tmp # echo "hello syscall" > test.txt

调用测试

内联汇编实现 syscall

直接内联汇编实现 syscall 调用可以让你跳过标准库的封装层，隐藏 syscall 调用，防 hook 增加逆向难度。

1. 找到 syscall 的汇编代码

把 Bionic 模块对应的 libc.so 拉取到本地

// 32 位库
adb pull /system/lib/libc.so  

// 64 位库
adb pull /system/lib64/libc.so
// 或
adb pull /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so  

用 IDA 打开 libc.so，在 Functions 窗口搜索 syscall

得到 syscall 的汇编代码如下

MOV             R12, SP            // R12 = SP (保存栈指针)
PUSH            {R4-R7}           // 保存 R4-R7 到栈
MOV             R7, R0            // R7 = 系统调用号
MOV             R0, R1            // R0 = 第一个参数
MOV             R1, R2            // R1 = 第二个参数
MOV             R2, R3            // R2 = 第三个参数
LDM             R12, {R3-R6}      // R3-R6 = 额外参数 (从栈中加载)
SVC             0                 // 触发系统调用
POP             {R4-R7}           // 恢复 R4-R7
CMN             R0, #0x1000       // 检查返回值 (是否小于 0)
BXLS            LR                // 成功则返回调用地址

由于我们内联汇编 syscall 需要和原来的汇编保持一致，不需要编译器自动生成的函数入口代码和退出代码，所有需要用到 "裸函数"（naked function）。

2. 裸函数（naked function）

在 C 和 C++ 编程中，attribute((naked)) 是 GCC（GNU Compiler Collection）和 Clang 编译器提供的一个属性，用于定义一个 "裸函数"（naked function）。

裸函数是一种特殊的函数，它允许你直接控制函数的汇编指令，而不会自动为你生成函数的入口代码（如保存寄存器、调整栈指针）和退出代码（恢复寄存器、恢复栈指针）。

attribute((naked)) 提供了一种方式，让开发者完全掌控函数的汇编指令布局，而不受编译器默认生成的代码影响。它适合在对性能要求极高或者需要直接操作硬件的情况下使用，例如系统调用、中断处理程序和上下文切换函数。

基本语法

__attribute__((naked)) void myFunction() {
    // 手动编写汇编指令
}

3. 编写内联汇编代码

__attribute__((naked)) long raw_syscall(long __number, ...) {
    __asm__ __volatile__(
            "MOV             R12, SP\n"
            "PUSH            {R4-R7}\n"
            "MOV             R7, R0\n"
            "MOV             R0, R1\n"
            "MOV             R1, R2\n"
            "MOV             R2, R3\n"
            "LDM             R12, {R3-R6}\n"
            "SVC             0\n"
            "POP             {R4-R7}\n"
            "mov             pc, lr");
}

4. 读取文件内容并返回 kotlin 层调用

// 读取文件内容
std::string read_file(const char *filePath) {
    char buffer[1024] = {0};

    // 调用 raw_syscall 打开文件
    int fd = raw_syscall(SYS_openat, 0, filePath, O_RDONLY, 0);
    if (fd < 0) {
        return "Failed to open file";
    }

    // 调用 raw_syscall 读取文件
    ssize_t bytesRead = raw_syscall(SYS_read, fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (bytesRead < 0) {
        raw_syscall(SYS_close, fd);
        return "Failed to read file";
    }

    // 关闭文件
    raw_syscall(SYS_close, fd);

    // 输出读取到的文件内容到控制台
    LOGI("File content: %s\n", buffer);

    return std::string(buffer);
}


extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_cyrus_example_syscall_SyscallActivity_readFileWithAssemblySyscall(JNIEnv *env, jobject,
                                                                           jstring path) {
    // 将 Java 字符串 (jstring) 转换为 C 字符串 (const char *)
    const char *filePath = env->GetStringUTFChars(path, nullptr);

    std::string file_content = read_file(filePath);

    // 释放通过 GetStringUTFChars 分配的资源
    env->ReleaseStringUTFChars(path, filePath);

    return env->NewStringUTF(file_content.c_str());
}

CMakeLists.txt 加载汇编文件

按上面的方法找到 ARM64 和 AMR 的 syscall 的汇编代码。

在 cpp 目录 创建 syscall64.s （ARM64）汇编代码文件，定义 raw_syscall 汇编函数

    .text                      // 表示接下来的代码段是可执行代码段
    .global raw_syscall        // 将 `raw_syscall` 设为全局符号，使其可以被其他文件引用
    .type raw_syscall, @function // 指定 `raw_syscall` 是一个函数

raw_syscall:
        // 将第一个参数 (系统调用号) 传递给 X8 寄存器
        MOV             X8, X0    // X8 = X0, 系统调用号存储在 X8 中

        // 将其余的参数从 X1-X6 依次向前移动一位 (为系统调用准备参数)
        MOV             X0, X1    // X0 = X1, 系统调用的第一个参数
        MOV             X1, X2    // X1 = X2, 系统调用的第二个参数
        MOV             X2, X3    // X2 = X3, 系统调用的第三个参数
        MOV             X3, X4    // X3 = X4, 系统调用的第四个参数
        MOV             X4, X5    // X4 = X5, 系统调用的第五个参数
        MOV             X5, X6    // X5 = X6, 系统调用的第六个参数

        // 使用 SVC 指令触发系统调用 (Supervisor Call)
        SVC             0         // 发起系统调用，中断进入内核态执行

        RET                      // 返回

在 cpp 目录 创建 syscall32.s （ARM）汇编代码文件，定义 raw_syscall 汇编函数

    .text
    .global raw_syscall
    .type raw_syscall,%function

raw_syscall:
        MOV             R12, SP
        STMFD           SP!, {R4-R7}
        MOV             R7, R0
        MOV             R0, R1
        MOV             R1, R2
        MOV             R2, R3
        LDMIA           R12, {R3-R6}
        SVC             0
        LDMFD           SP!, {R4-R7}
        mov             pc, lr

在 C++ 代码文件中添加 raw_syscall 函数声明

extern "C" long raw_syscall(long __number, ...);

配置 CMakeLists.txt

# 启用 C 和汇编语言的支持
enable_language(C ASM)

# 根据系统处理器架构选择不同的汇编文件
if (CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR MATCHES "aarch")  # 检查当前系统是否为 AArch64 (ARM 64-bit) 架构
    # 为 `syscall64.s` 设置编译标志
    # `-x assembler-with-cpp` 表示使用 C 预处理器来编译汇编文件
    set_source_files_properties(syscall64.s PROPERTIES COMPILE_FLAGS "-x assembler-with-cpp")

    # 添加一个共享库 (Shared Library)
    add_library(
            syscall-lib          # 设置库的名称为 `syscall-lib`

            SHARED               # 指定库的类型为共享库

            syscall64.s          # 添加 ARM64 汇编源文件

            syscall-lib.cpp      # 添加 C++ 源文件
    )

    # 如果系统处理器架构为 ARM (ARM 32-bit)
elseif (CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR MATCHES "arm")
    # 为 `syscall32.s` 设置编译标志
    # `-x assembler-with-cpp` 表示使用 C 预处理器来编译汇编文件
    set_source_files_properties(syscall32.s PROPERTIES COMPILE_FLAGS "-x assembler-with-cpp")

    # 添加一个共享库 (Shared Library)
    add_library(
            syscall-lib          # 设置库的名称为 `syscall-lib`

            SHARED               # 指定库的类型为共享库

            syscall32.s          # 添加 ARM 32 位汇编源文件

            syscall-lib.cpp      # 添加 C++ 源文件
    )
endif ()

调用 raw_syscall

// 读取文件内容
std::string read_file(const char *filePath) {
    char buffer[1024] = {0};

    // 调用 raw_syscall 打开文件
    int fd = raw_syscall(SYS_openat, 0, filePath, O_RDONLY, 0);
    if (fd < 0) {
        return "Failed to open file";
    }

    // 调用 raw_syscall 读取文件
    ssize_t bytesRead = raw_syscall(SYS_read, fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (bytesRead < 0) {
        raw_syscall(SYS_close, fd);
        return "Failed to read file";
    }

    // 关闭文件
    raw_syscall(SYS_close, fd);

    // 输出读取到的文件内容到控制台
    LOGI("File content: %s\n", buffer);

    return std::string(buffer);
}


extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_cyrus_example_syscall_SyscallActivity_readFileWithAssemblySyscall(JNIEnv *env, jobject,
                                                                           jstring path) {
    // 将 Java 字符串 (jstring) 转换为 C 字符串 (const char *)
    const char *filePath = env->GetStringUTFChars(path, nullptr);

    std::string file_content = read_file(filePath);

    // 释放通过 GetStringUTFChars 分配的资源
    env->ReleaseStringUTFChars(path, filePath);

    return env->NewStringUTF(file_content.c_str());
}

最后，运行测试

源码

完整源码地址：https://github.com/CYRUS-STUDIO/AndroidExample