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如何实现一个IOS网络监控组件

xbynet / 2775人阅读

摘要：此文由作者朱志强授权网易云社区发布。代码演示核心代码将原方法放在中声明函数指针实现函数使用系统方法的函数指针完成系统的实现在这里获取到了系统方法调用的时机在程序启动后调用对委托模型的监控替换方法时需要指定类名，而的的类并不确定。

此文由作者朱志强授权网易云社区发布。

Mobile Application Monitor IOS组件设计技术分享

背景
应用程序性能管理Application Performance Management（APM）是近年来比较火的互联网产业， Mobile Application Monitor（MAM）是其核心功能之一。 APM主要指对企业的关键业务应用进行监测、优化，它可以提高企业应用的可靠性和质量，保证用户得到良好的服务，降低IT总拥有成本(TCO)。 一个企业的关键业务应用的性能强大，可以提高竞争力，并取得商业成功，因此，加强应用性能管理可以产生巨大商业利益。 目前成熟的产品有：

目标
iOS客户端的网络统计组件，用于统计iOS app的http请求的数据，如请求时间，数据，错误

设计一个可复用的框架，方便后续添加帧率、用户体验等监测内容

对应用的影响尽可能小，使用方便

设计模型
处理数据分4步：
数据收集，数据组装，数据持久化，数据发送
线程模型：
数据收集负责初始化MAMDataBuilder，在持久化层队列完成数据组装和数据库插入操作。
满足发送数据条件时，首先持久化层队列从数据库查找数据，然后在发送层队列中发送数据，发送结束后在持久化层队列删除该条数据，再处理下一个数据。
下图使用图形演示了程序执行过程，灰色矩形代表API接口

本文主要针对常用网络技术的拦截技术做全面细致的讲解和分析。

数据收集Hooker
针对IOS主要的网络技术：NSURLConnection和CFNetwork的HTTP请求做数据收集

NSURLConnection的hook
对Objective-C对象发送消息的拦截

技术背景

Runtime
Objective-C是一门运行时语言，它会尽可能地把代码执行的决策从编译和链接的时候，推迟到运行时。 这样对写代码带来很大的灵活性，比如说可以把消息转发给你想要的对象，或者随意交换一个方法的实现。 Method Swizzling正是使用交换方法实现的方式来达到hook的目的。

动态绑定
在编译的时候，我们不知道最终会执行哪一些代码，只有在执行的时候，通过selector去查询，我们才能确定具体的执行代码。
Objective-C的方法类型是SEL（selector）。实例对象performSelector时，会在各自的消息选标(selector)/实现地址(address) 方法链表中根据 selector 去查找具体的方法实现（IMP）, 然后用这个方法实现去执行具体的实现代码。

IMP类型
IMP 是消息最终调用的执行代码的函数指针，可以理解为Objective-C的每个方法都会在编译时被转换成C函数，IMP就是这个C函数的函数指针，下面会演示调用这个IMP和调用Objective-C方法是等效的。 一个Objective-C方法：

-(void)setFilled:(BOOL)arg;
它的Objective-C调用方式会是：

[aObject setFilled:YES];
调用基类NSObject的方法- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector得到IMP

void (*setter)(id, SEL, BOOL);
setter = (void (*)(id, SEL, BOOL))[self methodForSelector:@selector(setFilled:)];
等价的C调用是对IMP（函数指针）的调用:

setter(self, @selector(setFilled:), YES)
Method Swizzling
正常情况，我们无法知道系统方法在何时被调用，但替换掉系统方法的代码实现，就可以获取系统方法的调用时机，这就是Method Swizzling！
如下图，修改selector对应的IMP为保存原IMP的函数，这样就实现了对系统调用的hook。

代码演示
Method Swizzling核心代码：

BOOL HTSwizzleMethodAndStore(Class class, BOOL isClassMethod, SEL original, IMP replacement, IMP* store) {
IMP imp = NULL;
Method method ; if (isClassMethod) {

  method= class_getClassMethod(class, original);

}else{

  method= class_getInstanceMethod(class, original);

} if (method) {

  imp = method_setImplementation(method,(IMP)replacement);      if (!imp) {
      imp = method_getImplementation(method);
  }

}else{

  MAMLog(@"%@:not found%@!!!!!!!!",NSStringFromClass(class),NSStringFromSelector(original));

} if (imp && store) { *store = imp; }//将原方法放在store中
return (imp != NULL);
}
声明函数指针IMP store,实现函数MAM IMP

static NSURLConnection (Original_connectionWithRequest)(id self,

                                                SEL _cmd,                                                    NSURLRequest *request,                                                    id delegate);static NSURLConnection * MAM_connectionWithRequest(id self,
                                                  SEL _cmd,                                                      NSURLRequest *request,                                                      id delegate){  //使用系统方法的函数指针完成系统的实现

id result = Original_connectionWithRequest(self,

                                    _cmd,
                                    request,
                                    hookDelegate);//在这里获取到了系统方法调用的时机

return result;
}
在程序启动后调用Swizzling

HTSwizzleMethodAndStore(NSClassFromString(@"NSURLConnection"),

                      YES,                          @selector(connectionWithRequest:delegate:),
                      (IMP)MAM_connectionWithRequest,
                      (IMP *)&Original_connectionWithRequest);

对委托模型的监控
Runtime替换方法时需要指定类名，而NSURLConnection的delegate的类并不确定。如果还是使用Method Swizzling拦截delegate的消息，每多一个使用NSURLConnectionDelegate的类都需要动态声明一次IMP store和MAM IMP，效率太低。
解决办法是使用proxy delegate替换NSURLConnection原来的delegate。只要保证proxy delegate将所有接收到的网络回调，转发给原来的delegate就好了。

CFNetwork的hook
对C函数调用的拦截

技术背景

使用Dynamic Loader hook 库函数 ---- fishhook
Dynamic Loader （dyld）通过更新Mach-O文件中保存的指针的方法来绑定符号。借用它，可以在运行时修改C函数调用的函数指针！
fishhook查找函数符号名的过程见下图

上图中，1061是间接符号表（Indirect Symbol Table）的偏移量，存放的符号表（Symbol Table）偏移量16343。
符号表中包含了字符表（String Table）偏移量，然后找到中真实符号名（Actual Symbol Name），fishhook对间接符号表的偏移量做了修改，这样就修改了字符表偏移量，指向字符表中的真实符号名发生了变化，最终，通过修改真实符号名修改了真实调用函数的指针，达到hook的目的。

Stream的read size和Toll-Free Bridge
CFNetwork使用CFReadStreamRef做数据传递，其接收服务器响应的方式是使用回调函数。获取服务器数据的方式是，当回调函数收到流中有数据的通知后，从流中读取数据，保存在客户端内存中。
对流的读取不适合使用修改字符串表的方式，这样做需要hook 系统也在使用的read函数，而系统的read函数不仅仅被网络请求的stream调用，还有所有的文件处理，并且hook一个频繁调用的函数也是不可取的！
但是怎么才能只针对网络请求的stream做处理呢，对一个C类型真的是很难，但是倘若对一个对象而言，我们有很多办法可以用，能不能转换呢？
能，用Toll-Free Bridge！有了它，就可以将CFReadStreamRef类型直接转换成NSInputStream对象！！
Toll-Free Bridge可以将Cocoa对象转换为CoreFoundation类型，查看CFReadStreamRead源码：

CFIndex CFReadStreamRead(CFReadStreamRef readStream, UInt8 *buffer, CFIndex bufferLength) {
CF_OBJC_FUNCDISPATCH2(__kCFReadStreamTypeID, CFIndex, readStream, "read:maxLength:", buffer, bufferLength);
函数的第一行调用的是Cocoa的方法read:maxLength:，这就确认了Toll-Free Bridge的实现机制——用Objective-C实现了一个可以用纯C调用的类库。
最后，这样设计被监控的stream：
这样就成功地将hook一个C函数的问题转变成了hook一个Objective-C方法的问题，但是，NSInputStream仍然是一个底层的公共类，仍然需要对系统的read方法做hook，能不能只针对某个stream对象进行hook呢？
能，用Trampoline！

Objective-C消息转发机制和Trampoline ---- 对指定对象的hook
当某个实例对象接收到一个消息，但是没有找到这个消息的实现时，会调用下面的两个方法，给开发者提供了转发消息的选择

-(NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;
借用转发机制，可以实现对指定对象的hook：
设计一个继承自NSObject的Proxy类，持有一个NSInputStream，记为OriginalStream。
使用上面的方法中将发向Proxy的消息转发给OriginalStream。这样一来，所有发向Proxy的消息的都由OriginalStream处理了。再重写NSInputStream read方法就可以获取到stream的size了。这种修改程序执行方向的设计就称为Trampoline，它的本意是蹦床，象征着将方法反弹给真正的接收对象。
MAMNSStreamProxy的核心代码：

-(instancetype)initWithClient:(id*)stream
{if (self = ![super init])
{
_stream = ![stream retain];
}return self;
}
-(NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{return ![_stream methodSignatureForSelector:aSelector];
}
-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
![anInvocation invokeWithTarget:_stream];
}
-(NSInteger)read:(uint8_t *)buffer maxLength:(NSUInteger)len
{
NSInteger rv = [_stream read:buffer maxLength:len];//在这里记录sizereturn rv;
}
代码演示
和Method Swizzling类似，需要声明函数指针和函数的实现：

static CFReadStreamRef(*original_CFReadStreamCreateForHTTPRequest)(CFAllocatorRef alloc,

                                       CFHTTPMessageRef request);/**

MAMNSInputStreamProxy持有original CFReadStreamRef，转发消息到original CFReadStreamRef，在方法 read 中获取数据大小。

以original CFReadStreamRef为键，保存CFHTTPMessageRef request

*/static CFReadStreamRefMAM_CFReadStreamCreateForHTTPRequest(CFAllocatorRef alloc,

                               CFHTTPMessageRef request){ //使用系统方法的函数指针完成系统的实现

CFReadStreamRef originalCFStream = original_CFReadStreamCreateForHTTPRequest(alloc,

                                                                          request); //将CFReadStreamRef转换成NSInputStream，保存在MAMNSInputStreamProxy中，返回的时候再转换成CFReadStreamRef

NSInputStream stream = (__bridge NSInputStream)originalCFStream;
MAMNSInputStreamProxy outReadStream = ![![MAMNSInputStreamProxy alloc] initWithStream:stream]; /内存管理， create的CF stream ref转成NS stream proxy，CF不再引用,使用结束后release掉*/
CFRelease(originalCFStream); /内存管理，ARC转交引用管理给CF/
CFReadStreamRef result = (__bridge_retained CFReadStreamRef)((id)outReadStream); return result;
}
使用fishhook替换函数地址

save_original_symbols();int bFishHookWork = rebind_symbols((struct rebinding![1])
{{"CFReadStreamCreateForHTTPRequest", MAM_CFReadStreamCreateForHTTPRequest},},1);
void save_original_symbols(){
original_CFReadStreamCreateForHTTPRequest = dlsym(RTLD_DEFAULT, "CFReadStreamCreateForHTTPRequest");
}
数据拦截模型
根据CFNetwork API 的调用方式，使用fishhook和proxyStream获取C函数的设计模型如下：

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文章来源： 网易云社区

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