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Apk文件结构简介

  一、引言

  做过OPhone/Android应用开发的人,对apk文件应该不会陌生。apk文件,即Android application package文件。每个要安装到OPhone平台的应用都要被编译打包为一个单独的文件,后缀名为.apk,其中包含了应用的二进制代码、资源、配置文件等。

  本文将对apk文件的结构和内容做一个简单介绍,并以一个简单的hello world程序为例,介绍一下apk文件中二进制代码dex文件的反编译过程。(作者:景涛)

 

  二、Hello world示例

  为了叙述方便,我们先给出一个简单的hello world程序。工程的目录结构如下:  

|-- AndroidManifest.xml
|
-- assets
|
-- bin
|
-- default.properties
|
-- res
|   |
-- drawable
|   |   `
-- icon.png
|   |
-- layout
|   |   `
-- main.xml
|   `
-- values
|       `
-- strings.xml
`
-- src
    `
-- hello
        `
-- world
            `
-- hello.java

  我使用的开发环境是eclipse及adt0.9和OPhone sdk 1.5。上图中所有文件和目录都是根据建立工程时的配置自动生成的。hello.java是我在这个工程中唯一修改的地方,在程序执行时会在屏幕上显示 “hello, OPhone”的字样。源码如下,注意粗体为修改的代码。  

package hello.world;

import android.app.Activity;
import android.os.Bundle;
import android.widget.TextView;

public class test extends Activity {
    
/** Called when the activity is first created. */
    @Override
    
public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        TextView test
= new TextView(this);
        Test.setText(“hello, OPhone”);
        setContentView(test);
    }
}

   使用eclipse编译之后可以看到工程的目录结构发生了变化。bin和gen目录是编译之后产生的。  

|-- AndroidManifest.xml
|
-- assets
|
-- bin
|   |
-- classes.dex
|   |
-- hello
|   |   `
-- world
|   |       |
-- R$attr.class
|   |       |
-- R$drawable.class
|   |       |
-- R$layout.class
|   |       |
-- R$string.class
|   |       |
-- R.class
|   |       `
-- hello.class
|   |
-- helloworld.apk
|   `
-- resources.ap_
|
-- default.properties
|
-- gen
|   `
-- hello
|       `
-- world
|           `
-- R.java
|
-- res
|   |
-- drawable
|   |   `
-- icon.png
|   |
-- layout
|   |   `
-- main.xml
|   `
-- values
|       `
-- strings.xml
`
-- src
    `
-- hello
        `
-- world
            `
-- hello.java

   在gen目录下生成了R.java文件,这是系统根据资源文件生成的。在bin目录下生成了6个.class文件,记住这一点。另外bin目录下还生成了helloworld.apk,下面我们就来分析这个文件。

  三、Apk文件结构

  apk文件实际是一个zip压缩包,可以通过解压缩工具解开。以下是我们用zip解开helloworld.apk文件后看到的内容。可以看到其结构跟新建立的工程结构有些类似。  

|-- AndroidManifest.xml
|
-- META-INF
|   |
-- CERT.RSA
|   |
-- CERT.SF
|   `
-- MANIFEST.MF
|
-- classes.dex
|
-- res
|   |
-- drawable
|   |   `
-- icon.png
|   `
-- layout
|       `
-- main.xml
`
-- resources.arsc

  3.1 Manifest文件

  AndroidManifest.xml是每个应用都必须定义和包含的,它描述了应用的名字、版本、权限、引用的库文件等等信息[ , ],如要把apk上传到Google Market上,也要对这个xml做一些配置。网上已有很多资料,在此就不多做介绍了。

  在apk中的AndroidManifest.xml是经过压缩的,可以通过AXMLPrinter2工具[ , ]解开,具体命令为:  

java -jar AXMLPrinter2.jar AndroidManifest.xml

  3.2 META-INF目录

  META-INF目录下存放的是签名信息,用来保证apk包的完整性和系统的安全。在eclipse编译生成一个api包时,会对所有要打包的文件做一个校验计算,并把计算结果放在META-INF目录下。而在OPhone平台上安装apk包时,应用管理器会按照同样的算法对包里的文件做校验,如果校验结果与META-INF下的内容不一致,系统就不会安装这个apk。这就保证了apk包里的文件不能被随意替换。比如拿到一个apk 包后,如果想要替换里面的一幅图片,一段代码,或一段版权信息,想直接解压缩、替换再重新打包,基本是不可能的。如此一来就给病毒感染和恶意修改增加了难度,有助于保护系 统的安全。

  3.3 classes.dex文件

  classes.dex是java源码编译后生成的java字节码文件。但由于Android使用的dalvik虚拟机与标准的java虚拟机是不兼容的,dex文件与class文件相比,不论是文件结构还是opcode都不一样。目前常见的java反编译工具都不能处理dex文件。

  Android模拟器中提供了一个dex文件的反编译工具,dexdump。用法为首先启动Android模拟器,把要查看的dex文件用adb push上传的模拟器中,然后通过adb shell登录,找到要查看的dex文件,执行dexdump xxx.dex。

  仍然以hello world程序作为演示。  

# dexdump classes.dex
Processing
'classes.dex'...
Opened 'classes.dex', DEX version '035'
Class #0            -
  Class descriptor  :
'Lhello/world/R$attr;'
  …
Class #
5            -
  Class descriptor  :
'Lhello/world/hello;'
  Access flags      : 0x0001 (PUBLIC)
  Superclass        :
'Landroid/app/Activity;'
  Interfaces        -
  Static fields    
-
  Instance fields  
-
  Direct methods    
-
    #
0              : (in Lhello/world/hello;)
      name          :
'<init>'
      type          : '()V'
      access        : 0x10001 (PUBLIC CONSTRUCTOR)
      code          
-
      registers     :
1
      ins           :
1
      outs          :
1
      insns size    :
4 16-bit code units
      catches       : (none)
      positions     :
        0x0000 line
=7
      locals        :
        0x0000
- 0x0004 reg=0 this Lhello/world/hello;
  Virtual methods  
-
    #
0              : (in Lhello/world/hello;)
      name          :
'onCreate'
      type          : '(Landroid/os/Bundle;)V'
      access        : 0x0001 (PUBLIC)
      code          
-
      registers     :
4
      ins           :
2
      outs          :
2
      insns size    :
17 16-bit code units
      catches       : (none)
      positions     :
        0x0000 line
=11
        0x0003 line
=13
        0x0008 line
=14
        0x000d line
=15
        0x0010 line
=16
      locals        :
        0x0008
- 0x0011 reg=0 test Landroid/widget/TextView;
        0x0000
- 0x0011 reg=2 this Lhello/world/hello;
        0x0000
- 0x0011 reg=3 savedInstanceState Landroid/os/Bundle;
  source_file_idx   :
27 (hello.java)

  Dexdump的结果可以看到有class0到class5六个class,跟工程目录下bin目录中的class数目相对应,可以想象 dex文件包含了所有的class文件。但对hello.java的反编译结果(Class #5)中很难发现我们做的修改,即如何输出“hello, OPhone”。分支跳转表的反编译不完整,严格来说就没有完整的dump出来。fill-array-data表也存在同样的问题。还有其他很多限制。总的来说dexdump反编的结果可读性很差。

  目前在网上能找到的另一个dex文件的反编译工具是Dedexer。Dedexer可以读取dex格式的文件,生成一种类似于汇编语言的输出。这种输出与 jasmin[ ]的输出相似,但包含的是Dalvik的字节码。我们会在下一节详细介绍一下Dedexer。

  3.4 res目录 

  res目录存放资源文件。关于apk文件中的资源管理,OPhone SDN网站上已经有文章做过详细介绍[ ],就不在此敷述。

  3.5 resources.arsc

  编译后的二进制资源文件。

  四、反编译工具Dedexer

  Dedexer是目前在网上能找到的唯一一个反编译dex文件的开源工具[ ]。Dedexer下载后需要编译才能使用。如果你用过ant编译java程序,那么编译Dedexer是一件非常简单的工作。注意目前Dedexer的最新版本是1.5,只能使用junit4.5编译。下面以linux环境为例,讲一下Dedexer的编译使用过程。

  下载ddx1.5.zip后,解压缩会产生一个dedexer目录,其中包含build.xml文件。我们需要根据本机的环境配置build.xml的内容,注意下面的粗体部分是我本机的配置。  

<!-- Directories of the project -->
<property name="home" value="/home/danny/myproject/dedex/dedexer"/>
<property name="junit-home" value="/home/danny/myproject/dedex"/>
<!-- Directories derived from the source tree root -->
<property name="classdir" value="${home}/classes"/>
<property name="src" value="${home}/sources"/>
<property name="testbase" value="${home}/testfiles"/>
<!-- Directories derived from the JUnit base -->
<property name="junit_jar" value="${junit-home}/junit-4.5.jar"/>

  环境配置好之后可以开始编译了。当然要保证你已经安装好了ant编译工具。执行ant。  

danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ ant
Buildfile: build.xml
init:
    [mkdir] Created dir:
/home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes
compile:
    [javac] Compiling
48 source files to /home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes
    [javac] Note:
/home/danny/myproject/dedex/dedexer/sources/hu/uw/pallergabor/dedexer/Annotation.java uses unchecked or unsafe operations.
    [javac] Note: Recompile
with -Xlint:unchecked for details.
package:
      [jar] Building jar:
/home/danny/myproject/dedex/dedexer/ddx.jar

BUILD SUCCESSFUL
Total
time: 3 seconds

  好了,编译dedexer成功,只用了3秒种,生成了ddx.jar文件。我习惯修改一下它的文件名,加上版本号。用来反编译的命令如下: 

danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ java -jar ddx1.5.jar -d [target folder] classes.dex
Processing hello
/world/R$string
Processing hello
/world/R$layout
Processing hello
/world/hello
Processing hello
/world/R$attr
Processing hello
/world/R
Processing hello
/world/R$drawable

  dedexer为每个class文件生成了一个后缀为ddx的文件。不出所料,有6个ddx文件。  

danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ ls hello/world/
R$attr.ddx R.ddx R$drawable.ddx R$layout.ddx R$
string.ddx hello.ddx

  看一下我们所关心的hello.ddx的内容。  

class public hello/world/hello
.super android
/app/Activity
.source hello.java

.method
public <init>()V
.line
7
        invoke
-direct   {v0},android/app/Activity/<init>        ; <init>()V
        return
-void
.end method

.method
public onCreate(Landroid/os/Bundle;)V
.line
11
        invoke
-super    {v2,v3},android/app/Activity/onCreate   ; onCreate(Landroid/os/Bundle;)V
.line
13
        
new-instance    v0,android/widget/TextView
        invoke
-direct   {v0,v2},android/widget/TextView/<init>  ; <init>(Landroid/content/Context;)V
.line
14
        
const-string    v1,"hello, OPhone"
        invoke
-virtual  {v0,v1},android/widget/TextView/setText ; setText(Ljava/lang/CharSequence;)V
.line
15
        invoke
-virtual  {v2,v0},hello/world/hello/setContentView        ; setContentView(Landroid/view/View;)V
.line
16
        return
-void
.end method

  从反编译的结果来看,代码的可读性仍然比较差,但比dexdump相比要好一些。我们能够看到“hello, OPhone”字符串是通过invoke-virtual {v0, v1}, android/widget/TextView/setText调用的。

  dedexer与dexdump相比至少有3个优点。一,不需要在android模拟器中运行。二,把dex文件按照java源代码package的目录结构建好了目录,每个class文件对应一个ddx文件。不像dexdump那样把所有的结果都放在一起。三,按照Dedexer作者的说法,可以把 Dedexer作为一个像jasmin那样的反编译引擎,目前好多强大的java反编译工具都是以jasmin作为反编译引擎的。

  五、结束语

  本文简单介绍了apk文件的结构和内容,并介绍了反编译工具Dedexer的用法。也希望我在这里抛砖引玉,让更多的高手了解apk文件的结构,熟悉Dedexer这个反编译引擎,将来写出威力更高,可读性更强的dex反编译工具。

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