游戲性能優(yōu)化與逆向分析技術(shù)

【USparkle專欄】如果你深懷絕技，愛“搞點研究”，樂于分享也博采眾長，我們期待你的加入，讓智慧的火花碰撞交織，讓知識的傳遞生生不息！

這是侑虎科技第1878篇文章，感謝作者其樂陶陶供稿。歡迎轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)作者授權(quán)請勿轉(zhuǎn)載。如果您有任何獨到的見解或者發(fā)現(xiàn)也歡迎聯(lián)系我們，一起探討。（QQ群：793972859）

作者主頁：

https://www.zhihu.com/people/jun-yan-76-80

一、前言

一直以來性能優(yōu)化的工作，非常依賴于工具，從結(jié)果反推過程，采集產(chǎn)品運行時信息，反推生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的問題，性能問題的定位其實就是在做各種逆向。

不同的工具有不同的檢測面，一般會按照由粗及細(xì)的順序使用，直到找到問題的答案。

• 粗粒度的工具，可大致定位到問題是出在哪個硬件上，比如發(fā)熱問題，可能的負(fù)載點在于CPU、GPU、其它硬件（屏幕、傳感器、網(wǎng)絡(luò)），一般應(yīng)該是系統(tǒng)級的工具，常用的有Perfetto、Xcode、GamePerf、PerfDog。

• 細(xì)粒度的工具，檢測面較窄，但能提供更深入的信息，比如：定位到是CPU的問題時，可使用Unity Profiler、Simpleperf看問題堆棧；當(dāng)定位到是GPU的問題時，則使用RenderDoc、SnapdragonProfiler、Arm Graphics Analyzer截幀。

打個比喻，粗粒度的工具好比地鐵，能帶你到大致的區(qū)域范圍，更細(xì)粒度的工具幫你解決最后一公里路，在實際情況中，“打通”一公里的問題往往是卡點，通用性質(zhì)的工具可能滿足不了需求，常常做一些定制化的東西，通過一定積累，形成強大的工具鏈以應(yīng)對各種突發(fā)問題，本文主要對于這些底層的技術(shù)棧做一些總結(jié)。

二、動態(tài)庫注入

Android系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基本都能通過讀各種文件實現(xiàn)（統(tǒng)計線程，讀取CPU利用率/頻率），但有嚴(yán)格的權(quán)限限制，非root環(huán)境下，只能讀取自己進程相關(guān)的文件、內(nèi)存信息。

我們注入到目標(biāo)進程的動態(tài)庫，就好像我們派出的“間諜”一樣，利用目標(biāo)進程的身份執(zhí)行我們自己的代碼。

使用JDWP Shellifier是最常用的方式，我們用C++在NDK環(huán)境下編寫一個動態(tài)庫so文件，這個腳本利用Java調(diào)試服務(wù)加載我們自己的庫。這也是RenderDoc、?LoliProfiler、Matrix用的方式，需要應(yīng)用Debug權(quán)限，或者root開全局調(diào)試，或者使用APKTool，解包修改AndroidManifest文件的Debug權(quán)限。

https://github.com/IOActive/jdwp-shellifier

這個腳本用Python封裝了注入過程，在onCreate函數(shù)觸發(fā)時，加載我們的庫。

jdwp_start("127.0.0.1", 500, "android.app.Activity.onCreate", None, libname)

控制臺輸出顯示注入成功

當(dāng)動態(tài)庫注入成功時，C++側(cè)入口函數(shù)JNI_OnLoad會被執(zhí)行，我們就可以干自己想干的事情了，這只是打開大門的第一步。

JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {     (void)reserved;     LOGI("JNI_OnLoad");     JNIEnv *env;     LOGI("------------------ 4000 : %d", (int)JNI_VERSION_1_6);     if (vm->GetEnv((void **)&env, JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK)     {         LOGI("JNI version not supported");         return JNI_ERR; // JNI version not supported.     }     else     {         LOGI("JNI init complete");     } }

下一步介紹Hook技術(shù)，俗稱鉤子，能對特定函數(shù)劫持，兩種常見Hook手段為PLT Hook、Inline Hook。

三、PLT Hook

先大概講一下程序調(diào)用動態(tài)鏈接庫中函數(shù)的流程，以libunity.so中調(diào)用libc.so的Open函數(shù)為例子：會先訪問PLT（Procedure Linkage Table），第一次訪問它會使用動態(tài)連接器查找libc.so中Open函數(shù)的地址，然后地址保存到GOT（Global Offset Table）地址表，之后的調(diào)用就直接查GOT表了，如下：

所謂的PLT Hook就是在這個過程做文章、鉆空子，比如xHook就是修改GOT表的函數(shù)地址為我們的自定義函數(shù)實現(xiàn)攔截，xHook是一個常用的庫，較多運用于各種工具底層實現(xiàn)，我們可以直接使用它，同時它也是開源的，我們可以參考它里面的很多代碼。

https://github.com/iqiyi/xHookgithub.com/iqiyi/xHook

PLT Hook比較適合去Hook一些公用庫的調(diào)用，不管上層怎么變，IO的行為最終落地到對Open、Close、Read、Wirte的調(diào)用，實際項目中主要用于IO、內(nèi)存分配、線程、網(wǎng)絡(luò)等行為的監(jiān)控，但它的局限性在于不能Hook內(nèi)部函數(shù)，比如引擎內(nèi)部的函數(shù)調(diào)用。

四、實戰(zhàn)：打印引擎啟動時的IO調(diào)用

隨便創(chuàng)建一個空的Demo，打包APK，將下面C++代碼通過NDK編譯成動態(tài)庫后，使用JDWP注入運行。

這里在JNI_OnLoad函數(shù)創(chuàng)建一個新的線程，延遲3秒后再執(zhí)行Hook的動作，是因為時機太早libunity.so未加載會導(dǎo)致失敗（據(jù)說xHook的作者后續(xù)開發(fā)了一個新的庫叫bHook，改進了這一點）。

     "xhook/xhook.h"         int MyOpen(const char *pathname, int flags, mode_t mode) {     int ret = open(pathname, flags, mode);     __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", "unity open %s %d", pathname, ret);     return ret; } void TestHook() {     // 延遲3秒，等待Unity加載完成     std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));     // 對Open函數(shù)Hook注冊     xhook_register("libunity.so", "open", (void *)MyOpen, nullptr);     // 執(zhí)行Hook     xhook_refresh(0); } JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {     JNIEnv *env;     if (vm->GetEnv((void **)&env, JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK)     {         return JNI_ERR; // JNI version not supported.     }     std::thread(TestHook).detach();     return JNI_VERSION_1_6; }

這樣我們可以觀察到Unity啟動時加載的一些東西：

正在加載obb文件

正在加載il2cpp.so

五、Inline Hook

前面提到，PLT Hook不能Hook到庫內(nèi)部的函數(shù)調(diào)用，這個時候就應(yīng)該輪到Inline Hook出場，它是通過對目標(biāo)函數(shù)地址插入跳轉(zhuǎn)指令實現(xiàn)，理論上可以Hook住任意內(nèi)部函數(shù)，功能更為強大，由于涉及到在不同CPU架構(gòu)上的運行狀態(tài)機器碼修改，看起來很復(fù)雜，其實一點也不簡單，雖兼容性不如PLT Hook，不推薦在生產(chǎn)環(huán)境使用，但作為測試環(huán)境中的性能工具還是很強的。

ShadowHook是我常用的庫，可以將它的C++源碼下載下來，和自己庫一起編譯。

https://github.com/bytedance/android-inline-hook

如果Hook的目標(biāo)庫是帶符號表的，可以通過函數(shù)名hook，像這樣：

stub = shadowhook_hook_sym_name(                "libart.so",                "_ZN3art9ArtMethod6InvokeEPNS_6ThreadEPjjPNS_6JValueEPKc",                (void *)proxy,                (void **)&orig);

但是我們常見的libunity.so、libil2cpp.so的符號表是分離的，可以嘗試用llvm-objcopy合并回去，這里更推薦另一種做法，ShadowHook也可以直接通過函數(shù)地址進行Hook：

void *shadowhook_hook_func_addr(     void *func_addr,     void *new_addr,     void **orig_addr);

這里的func_addr函數(shù)地址是絕對地址，為動態(tài)庫基地址、函數(shù)偏移地址之和，找到這兩個地址加起來就行。

動態(tài)庫基地址每次進程啟動都不一樣，需要我們在程序中動態(tài)獲取，可以通過dl_iterate_phdr（Android 5.0以上）獲取，也可以讀/proc/self/maps實現(xiàn)（Android 4.0版本以上），之前介紹的xHook有源碼可以抄一下。

/proc/self/maps能查詢到動態(tài)庫基地址

而函數(shù)的偏移地址可以使用NDK下llvm-readelf -s指令，讀取符號表獲取到：

readelf讀取出的引擎內(nèi)部函數(shù)地址

接下來，對函數(shù)Hook后，需要對參數(shù)進行內(nèi)存分析提取里面的有用信息，如果有源碼，就是開卷考試，按照其內(nèi)存布局定義出來；沒源碼，我們也可以通過一些技巧把信息提取出來，下面以實戰(zhàn)說明一下。

六、實戰(zhàn)：統(tǒng)計引擎內(nèi)部調(diào)用

我曾經(jīng)在《使用Simpleperf+Timeline診斷游戲卡頓》[1]這一篇文章中提到過，一些常見的卡頓歸因，能通過Simpleperf識別，但我們只知道觸發(fā)堆棧，今天我們更進一步。

這里以AddComponent函數(shù)為例，做一個Demo，然后嘗試使用Hook把觸發(fā)的GameObject、組件名字都打印出來，C# 測試代碼如下：

// New Game Object節(jié)點添加一些Unity內(nèi)置組件 var go = newGameObject(); go.AddComponent (); go.AddComponent (); go.AddComponent (); // 相機節(jié)點添加一個自定義腳本組件 gameObjet.AddComponent ();

通過Simpleperf鎖定我們的目標(biāo)函數(shù)為AddComponent(GameObject&, Unity::Type const*, ScriptingClassPtr, core::basic_string >*)

Simpleperf-Timeline查看命中的native函數(shù)

接下來通過llvm-readelf -s指令，查詢函數(shù)在符號表中的位置，名字稍微和Simpleperf中的顯示形式有點區(qū)別，但是我們還是能認(rèn)出它，它的地址就是0x5126a4。

搜索符號表內(nèi)AddComponent函數(shù)地址

接下來，我們需要在代理函數(shù)里面，對函數(shù)參數(shù)做一些解析，從函數(shù)簽名可以看到，參數(shù)有4個：void *go、void *unitytype、void *scriptclassptr和void *error。

我們的目標(biāo)是獲取節(jié)點名和組件名，解析前3個就行，主要有兩種方案：

1. 在符號表里多收集一些工具函數(shù)地址，比如獲取GameObject名字的方法0x435010，這個方法傳入GameObject對象指針作為參數(shù)，返回名字字符串，所以可以把這個函數(shù)地址存起來，直接調(diào)用，我管這叫“他山之石，可以攻玉”。

獲取GameObject名字的方法地址能輕易搜索到

2. 針對另外兩個參數(shù)，可以將結(jié)構(gòu)直接定義出來使用，比如ScriptClass前兩個參數(shù)是指針，第三個就是C字符串。這些工作，在有相關(guān)源碼的情況下會容易很多，如果沒有的話，只能通過LLDB無源碼動態(tài)調(diào)試之類的手段來獲取其內(nèi)存布局，會涉及到一些二進制分析手段、工具。

有了這些準(zhǔn)備工作，就可以開始編碼了：

     "shadowhook.h"          classScriptclass {     public:         void *placeholder1;         void *placeholder2;         constchar *name; }; classUnityType {     public:         void *placeholder1;         void *placeholder2;         constchar *name; }; uintptr_t baseaddr = 0; int callback(struct dl_phdr_info *info, size_t size, void *data) {     constchar *target = (constchar *)data;     // Check if the current shared library is the target library     if (strstr(info->dlpi_name, target))     {         __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", "Base address of %s: 0x%lx\n", target, (unsigned long)info->dlpi_addr);         baseaddr = info->dlpi_addr;         return1; // Return 1 to stop further iteration     }     return0; // Continue iteration } void *old_AddComponent = nullptr; typedef void *(*AddComponentFunc)(void *go, void *unitytype, void *scriptclassptr, void *error); typedef constchar*(*GameObjectGetNameFunc)(void *ptr); void *MyAddComponent(void *go, void *unitytype, void *scriptclassptr, void *error) {     constchar *goName = nullptr;     constchar *typeName = nullptr;     if(go != nullptr)     {         // 計算GameObjectGetName的地址         uintptr_t addr = baseaddr + 0x435010;          // 調(diào)用GameObjectGetName獲取名稱         GameObjectGetNameFunc func = (GameObjectGetNameFunc)(addr);         goName = func(go);     }     if (scriptclassptr != nullptr)     {         Scriptclass *t = (Scriptclass *)scriptclassptr;         typeName = t->name;     }     elseif (unitytype != nullptr)     {         UnityType *t = (UnityType *)unitytype;         typeName = t->name;     }     if(goName == nullptr)         goName = "null";     if(typeName == nullptr)         typeName = "null";     __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", "UnityAddComponent: %s %s\n", goName, typeName);     return ((AddComponentFunc)old_AddComponent)(go, unitytype, scriptclassptr, error); } void TestHook() {     // 延遲3秒，等待Unity加載完成     std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));     // 查詢libunity的基地址     constchar *library_name = "libunity.so";     dl_iterate_phdr(callback, (void *)library_name);     // 計算AddComponent的函數(shù)地址     uintptr_t addr = baseaddr + 0x5126a4;     // 執(zhí)行Hook并保存原函數(shù)地址到old_AddComponent     void *stub = shadowhook_hook_func_addr((void *)addr, (void *)MyAddComponent, (void **)&old_AddComponent);     if (stub == nullptr)     {         int err_num = shadowhook_get_errno();         constchar *err_msg = shadowhook_to_errmsg(err_num);         __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", "hook error %d - %s\n", err_num, err_msg);     }     else     {         __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", "hook success\n");     } } JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {     JNIEnv *env;     if (vm->GetEnv((void **)&env, JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK)     {         return JNI_ERR; // JNI version not supported.     }     // 初始化Shadowhook     int ret = shadowhook_init(SHADOWHOOK_MODE_UNIQUE, true);     if (ret != 0)     {         constchar *err_msg = shadowhook_to_errmsg(shadowhook_get_init_errno());         __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", "init error %d - %s\n", shadowhook_get_init_errno(), err_msg);     }     else     {         __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", "init success\n");     }     std::thread(TestHook).detach();     return JNI_VERSION_1_6; }

和前面PLT Hook的例子一樣，使用JDWP注入執(zhí)行，最終可以輸出Demo中調(diào)用AddComponet的參數(shù)詳情，利用這些信息，接下來就可以做很多事情了，我們現(xiàn)在可以幾乎Hook任意函數(shù)！

控制臺最終能正常輸出節(jié)點、組件名

七、棧回溯

在棧上每個函數(shù)都有自己的儲存空間，被稱之為棧幀（Frame），上面保存了部分參數(shù)、局部變量。當(dāng)調(diào)用其它函數(shù)時，會將這個函數(shù)返回后的下一行指令地址也保存在棧幀，棧回溯就是分析這些棧上面函數(shù)地址，還原函數(shù)運行軌跡的過程。

函數(shù)A調(diào)用函數(shù)B，0x40056a是函數(shù)B結(jié)束后返回的地址

棧回溯經(jīng)常和Hook一起配合，當(dāng)Hook住某個函數(shù)后，輸出它的調(diào)用棧，能更進一步分析問題歸因，如果對性能要求不高，可以直接使用libunwind庫，它在不需要開-fno-omit-frame-pointer編譯選項、dwarf調(diào)試信息的情況下，也能輸出函數(shù)地址，然后我們通過符號表將函數(shù)名解析出來。

    // 棧回溯上下文結(jié)構(gòu) struct BacktraceState {     void **current;     void **end; }; static _Unwind_Reason_Code UnwindCallback(struct _Unwind_Context *context, void *arg) {     BacktraceState *state = static_cast (arg);     uintptr_t pc = _Unwind_GetIP(context);     if (pc)     {         if (state->current == state->end)         {             return _URC_END_OF_STACK;         }         else         {             *state->current++ = reinterpret_cast

 (pc);         }     }     return _URC_NO_REASON; } size_t CaptureBacktrace(void **buffer, size_t max) {     BacktraceState state = {buffer, buffer + max};     _Unwind_Backtrace(UnwindCallback, &state);     return state.current - buffer; } void DumpBacktrace(std::ostream &os, void **buffer, size_t count) {     for (size_t idx = 0; idx < count; ++idx)     {         constvoid *addr = buffer[idx];         constchar *symbol = "";         Dl_info info;         if (dladdr(addr, &info) && info.dli_sname)         {             symbol = info.dli_sname;         }         // 這里將函數(shù)的絕對地址轉(zhuǎn)換為相對地址         uintptr_t relative = (uintptr_t)addr - (uintptr_t)info.dli_fbase;         os << "  #" << std::setw(2) << idx << ": " << info.dli_fname << " " << (void *)relative << "\n";     } } // 經(jīng)封裝后的打印函數(shù) void PrintStacktrace(const size_t count) {     void* buffer[count];     std::ostringstream oss;     DumpBacktrace(oss, buffer, CaptureBacktrace(buffer, count));     __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "TestHook", oss.str().c_str()); }

棧回溯的步驟雖然看起來繁瑣，但只要經(jīng)過封裝后，使用起來其實和在C# 里面一樣方便，下一步我們來試一下。

八、實戰(zhàn)：為IO調(diào)用加入棧統(tǒng)計

沿用之前的PLT Hook的例子，這次我們將調(diào)用堆棧打印出來：

調(diào)用封裝好的PrintStacktrace

現(xiàn)在打印日志里多了調(diào)用棧函數(shù)地址

使用NDK目錄下的addr2line.exe對這些地址進行解析，最終得到我們想要的結(jié)果。

LocalFileSystemPosix::Open(FileEntryData&, FilePermission, FileAutoBehavior) zip::CentralDirectory::Enumerate(bool (*)(FileSystemEntry const&, FileAccessor&, char const*, zip::CDFD const&, void*), void*) VerifyAndMountObb(char const*) MountObbs() UnityPause(int) UnityPlayerLoop() nativeRender(_JNIEnv*, _jobject*)

九、結(jié)語

本文從以性能優(yōu)化分析目的入手，介紹了常用的逆向分析手段 —— 注入、Hook、堆棧回溯，這里只是淺顯地聊了一下運用場景，事實上每一個坑都能挖到很深，比如注入與反注入，如何對競品進行注入，Hook的相關(guān)調(diào)試方法、內(nèi)存分析、更高性能的棧回溯、聚合顯示（火焰圖）等等。

之所以總結(jié)此文，是因為我在近期的工作中感覺到，了解一點逆向分析的知識，對性能優(yōu)化、程序調(diào)試方面很有好處，也不局限于游戲開發(fā)領(lǐng)域，技多不壓身。

參考

[1] 使用Simpleperf+Timeline診斷游戲卡頓

https://zhuanlan.zhihu.com/p/666443120

文末，再次感謝其樂陶陶 的分享， 作者主頁：https://www.zhihu.com/people/jun-yan-76-80， 如果您有任何獨到的見解或者發(fā)現(xiàn)也歡迎聯(lián)系我們，一起探討。（QQ群： 793972859 ）。

近期精彩回顧

【學(xué)堂上新】

【學(xué)堂上新】

【學(xué)堂上新】

【萬象更新】