文中所有内容均是邓凡平老师的 深入理解Android之Dalvik 和丰生强老师的 Android软件安全与逆向分析 阅读中的笔记

class文件结构

ClassFile{ //唯一取值：0xCAFEBABE u4magic; //class文件的版本号，和Java编译器有关 u2minor_version; u2major_version; //常量池，长度为字符串数量加1，constant_pool[0]留给JVM用 u2constant_pool_count; cp_infoconstant_pool[constant_pool_count - 1]; //class的类型和名字，类型有三种 0x0001:ACC_PUBLIC //0x0010:ACC_FINAL 0x0200:ACC_INTERFACE u2access_flag; u2this_class; u2super_class; //类interface数量，变量数量，方法数量(无论static还是非static)， //属性数量，名字都作为字符串存在常良池中 u2interfaces_count; u2interfaces[interfaces_count - 1]; u2fields_count; field_infofields[fields_count - 1]; u2methods_count; method_infomethods[methods_count - 1]; u2attributes_count; attribute_infoattributes[attributes_count - 1]; }

class文件实操，先写一个简单的Java文件：

package com.example; public class MyClass { public static void main(String[] args){ String s = "hello world"; System.out.println(s); } }

然后调用javac MyClass.java生成MyClass.class
调用javap -verbose MyClass.class查看


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class文件结构.jpg
常量池

tips：constant_pool_count值为常量池数组长度+1，就像上图中常量第一个元素
以#1开头，0默认是给VM用的

常量池的元素类型这样表示：

cp_info { //特别注意，这是介绍的cp_info 是相关元素类型的通用表达。 u1 tag; //tag 为1 个字节长。不论cp_info 具体是哪种，第一个字节一定代表tag u1 info[]; //其他信息，长度随tag 不同而不同 }

tag的取值：

• tag=7 <==info 代表这个cp_info 是CONSTANT_Class_info 结构体
• tag=9 <==info 代表CONSTANT_Fieldrefs_info 结构体
• tag=10 <==info 代表CONSTANT_Methodrefs_info 结构体
• tag=8 <==info 代表CONSTANT_String_info 结构体
• tag=1 <==info 代表CONSTANT_Utf8_info 结构体

看几个例子，字符串结构体：

CONSTANT_Utf8_info { u1 tag; //取值为1 u2 length; //下面就是存储UTF8 字符串的地方了 u1 bytes[length]; }

类信息结构体

CONSTANT_Class_info { u1 tag; //tag 取值为7，代表CONSTANT_Class_info u2 name_index; //name_index 表示代表自己类名的字符串信息位于于常量池数组中哪一个，也就是索引 }

dex文件 class文件显然有很多可以优化的地方，比如每一个class文件都有一个常量池，如果有重复字符串就造成了资源浪费，所以Dalvik的dex文件对其进行了优化


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dex文件结构 先看看dex文件中的数据结构

下面很多代码定义在Android源码的 DexFile.h 中

类型	含义
u1	等同于uint8_t,一个字节的无符号数
u2	等同于uint16_t,两个字节的无符号数
u4	等同于uint32_t,四个字节的无符号数
u8	等同于uint64_t,八字节的无符号数
sleb128	有符号LEB128，可变长度1~5字节
uleb128	无符号LEB128,可变长度1~5字节
uleb128p1	无符号LEB128值加1，可变长度1~5字节

• sleb128是dex文件中特有的数据类型，每个字节7个有效位，最高位取值1表示要用到第二个字节，以此类推但最长五个字节，如果读取到
  第五个字节最高位仍为1，表示该dex文件无效，Dalvik虚拟机在验证dex时会失败返回
• dex文件里采用了变长方式表示字符串长度。一个字符串的长度可能是一个字节（小于256）或者4个字节（1G大小以上）。字符串的长度大多数都是小于 256个字节，因此需要使用一种编码，既可以表示一个字节的长度，也可以表示4个字节的长度，并且1个字节的长度占绝大多数。能满足这种表示的编码方式有 很多，但dex文件里采用的是uleb128方式。leb128编码是一种变长编码，每个字节采用７位来表达原来的数据，最高位用来表示是否有后继字节。
  查看dex方法

1. class转为dex文件，工具是sdk build_tools下的dx命令。dx --dex --debug --verbose-dump--output=test.dex com/test/TestMain.class
2. 查看dex文件，利用build-tools 下的dexdump 命令查看，dexdump -d -l plain test.dex

dex文件整体结构 整体结构比较简单，由七个结构体组成：

• dex header 指定了dex文件的一些属性，并记录其他六个部分在dex文件中的物理偏移
• string_ids
• type_ids
• proto_ids
• field_ids
• method_ids
• class_def
• data
• link_data

dexHeader结构体的组成

struct DexHeader { 000 u1 magic[8]; //dex版本标识 u4 checksum; //adler32检验 u1 signature[KSHA1DIGESTLEN]; //SHA-1哈希值 长度为20，定义在DexFile.h中 020 u4 fileSize; //整个文件大小 u4 headerSize; //DexHeader结构大小 70 00 00 00 u4 endianTag; //字节序标记 预设78 56 34 12 即0x12345678，表示小端little-Endian字节序 u4 linkSize; //链接段大小 030 u4 linkoff; //连接段偏移 u4 mapoff; //DexMapList的文件偏移，这里mapoff等于dataOff u4 stringIdsSize; //DexStringId的个数 u4 stringIDsOff; //DexStringId的文件偏移 040 u4 typeIdsSize; //DexTypeID的个数 u4 typeIdsOff; //DexTypeId的文件偏移 u4 protoIdsSize; //DexProtoId的个数 u4 protoIdsOff; //DexProtoId的文件偏移 050 u4 fieldIdsSize; //DexFieldId的个数 u4 fieldIdsOff; //DexFieldId的文件偏移 u4 methodIdsSize; //DexMethodId的个数 u4 methodIdsOff; //DexMethonId的文件偏移 060 u4 classDefsSize; //DexClassDef的个数 u4 classDefsOff; //DexClassDef的文件偏移 u4 dataSize; //数据段的大小 u4 dataOff; //数据段的文件偏移 }

tips:
由上面结构体也可以看出来，Android 65K方法数问题的根本原因并不在于Dex文件方法索引长度限制

dex文件结构分析

tips:
这里 书中（Android软件安全与逆向分析）有一点不明白，说Dalvik虚拟机解析dex文件的内容，最终将其映射成DexMapList数据结构
，是说Dex文件生成过程中有Dalvik虚拟机的参与吗。

我分析了一个简单的Android程序，使用十六进制编辑器C32Asm，打开apk解压出的dex文件

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dex文件 上图就是完整DexHeader的数据，在注释里写得很清楚了，观察发现，mapOff值为0x00059178,这里要注意小端字节序，找到


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DexMapList
红色框画出来的就是每个元素头部，其中第一个0x12，代表有16个DexMapItem结构
DexMapItem结构：

struct DexMapItem{ u2 type; //类型，枚举常量 u2 unused; //未使用，用于字节对其 u4 size; //指定类型的个数 u4 offset; //指定类型数据的文件偏移 }//type 的枚举类型 /* map item type codes */ enum { kDexTypeHeaderItem= 0x0000, kDexTypeStringIdItem= 0x0001, kDexTypeTypeIdItem= 0x0002, kDexTypeProtoIdItem= 0x0003, kDexTypeFieldIdItem= 0x0004, kDexTypeMethodIdItem= 0x0005, kDexTypeClassDefItem= 0x0006, kDexTypeMapList= 0x1000, kDexTypeTypeList= 0x1001, kDexTypeAnnotationSetRefList= 0x1002, kDexTypeAnnotationSetItem= 0x1003, kDexTypeClassDataItem= 0x2000, kDexTypeCodeItem= 0x2001, kDexTypeStringDataItem= 0x2002, kDexTypeDebugInfoItem= 0x2003, kDexTypeAnnotationItem= 0x2004, kDexTypeEncodedArrayItem= 0x2005, kDexTypeAnnotationsDirectoryItem = 0x2006, };

举个香甜的栗子，找到DexMapList中的StringIdItem，个数：0x39EE,偏移：0x0070，去找0x0070中的第一个


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0x0070
看一看DexStringId的结构体：

struct DexStringId{ u4 stringDataOff; //字符串数据偏移 }

偏移量是0x0012c120,找到它


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0x0012c120
已经找到字符串了
再找一个复杂些的，找到DexMapList中的MethodIdItem，个数0x000038DD,偏移0x00026E98,找到它


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0x00026E98
看一看DexMethodId的结构体：

/* * Direct-mapped "method_id_item". */ struct DexMethodId { u2classIdx; /* index into typeIds list for defining class */ u2protoIdx; /* index into protoIds for method prototype */ u4nameIdx; /* index into stringIds for method name */ };

odex文件 odex文件有两种存在方式：

1. 从Apk文件中提取出来，与Apk文件存放在同一目录下且文件后缀为odex的文件，这种多是Android ROM的系统程序；
2. dalvik-cache缓存文件，这类odex文件仍然以dex作为后缀，存放在cache/dalvik-cache目录下，保存形式为"apk路径@apk名@classes.dex";

由于Android程序的Apk文件为Zip压缩包格式，Dalvik虚拟机每次加载他们时需要从Apk中读取classes.dex文件，这样会耗费很多CPU时间，而采用odex
方式优化的dex文件已经包含了加载dex必须的依赖库文件列表，Dalvik虚拟机只需检测并加载所需的依赖库即可执行相应的dex文件，这大大缩短了读取dex文件
所需的时间。
odex文件整体结构

• odex文件头
• dex文件
• 依赖库
• 辅助数据

odex文件的写入和读取并没有像dex文件那样定义了全系列的数据结构，Dalvik虚拟机将dex文件映射到内存中后是DexFile格式，结构如下：

/* * Structure representing a DEX file. * * Code should regard DexFile as opaque, using the API calls provided here * to access specific structures. */ struct DexFile { /* directly-mapped "opt" header */ const DexOptHeader* pOptHeader; /* pointers to directly-mapped structs and arrays in base DEX */ const DexHeader*pHeader; const DexStringId*pStringIds; const DexTypeId*pTypeIds; const DexFieldId*pFieldIds; const DexMethodId*pMethodIds; const DexProtoId*pProtoIds; const DexClassDef*pClassDefs; const DexLink*pLinkData; /* * These are mapped out of the "auxillary" section, and may not be * included in the file. */ const DexClassLookup* pClassLookup; const void*pRegisterMapPool; // RegisterMapClassPool/* points to start of DEX file data */ const u1*baseAddr; /* track memory overhead for auxillary structures */ intoverhead; /* additional app-specific data structures associated with the DEX */ //void*auxData; };

最前面的DexOptHeader就是odex的头，DexLink一下的部分是"auxillary section",即辅助数据段，记录了文件被优化后添加的一些信息。不过DexFile
机构描述的是加载金内存的数据结构，还有一些数据是不会加载进内存的。丰生强老师将odex文件结构定义整理如下：

struct ODEXFile { DexOptHeaderheader; //odex文件头 DexFileDexFile; //dex文件 Dependencesdeps; //依赖库列表 ChunkDexClassLookuplookup; //类查询结构 ChunkRegisterMapPoolmapPool; //映射池 ChunkEndend; //结束标识 }

odex文件结构分析 【Dalvik学习之class|Dalvik学习之class dex odex文件结构】ODEXFile的文件头DexOptHeader在DexFile.h文件中定义如下:

struct DexOptHeader{ u1 magic[8]; //odex版本标识 ，目前固定值 64 65 79 0A 30 33 36 00 u4 dexOffset; //dex文件头偏移 ，目前0x28 = 40，等于odex文件头大小 u4 dexLength; //dex文件总长度 u4 depsOffset; //odex依赖库列表偏移 u4 depsLength; //依赖库列表总长度 u4 optOffset; //辅助数据偏移 u4 optLength; //辅助数据总长度 u4 flags; //标志，Dalvik虚拟机加载odex时的优化与验证选项 u4 checksum; //依赖库与辅助数据的校验和 }

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