Android软件安全与逆向分析——dalvik虚拟机与Java虚拟机的区别（带实例）

Dalvik虚拟机的特点：

体积小，占用内存空间小
专有的DEX 可执行文件格式，体积更小，执行速度更快
常量池采用32位索引值，寻址类方法名、字段名、常量更快
基于寄存器架构，拥有一套完整的指令系统
提供了对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全和异常管理以及垃圾回收等重要功能
所有的Android程序都运行在Android系统进程里，每个进程对应着一dalvik虚拟机实例

Dalvik虚拟机与Java虚拟机的区别：

1、Java虚拟机运行的是Java字节码，Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码

传统的Java程序经过编译，生成Java字节码保存在class文件中，Java虚拟机通过解码class文件中的内容来运行程序；

而Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码，它由Java字节码转换而来，并被打包到一个DEX（Dalvik Executable）可执行文件中，Dalvik虚拟机通过解释DEX文件来执行这些字节码。

2、Dalvik可执行文件体积更小

Android SDK中有一个叫dx的工具负责将Java字节码转换为Dalvik字节码，它将Java类文件重新排列，消除文件中出现的冗余信息，避免虚拟机在初始化时出现重复的加载与解析过程。



3、Java虚拟机与Dalvik虚拟机架构不同

Java虚拟机基于栈架构，程序在运行虚拟机时需要频繁的从栈上读取或写入数据；

而Dalvik虚拟机基于寄存器架构，数据的访问通过寄存器间直接传递。

实例证明：

测试代码：（Hello.java）

public class Hello{

public int foo(int a,int b){
return (a + b) * (a - b);
}

public static void main(String[] argc){
Hello hello = new Hello();
System.out.println(hello.foo(5,3));
}

}

使用编译命令生成class文件

javac Hello.java

先来分析Java虚拟机中的存储和运行情况：

使用Javap命令反编译class文件，查看class文件中的foo函数的字节码

javap -c -classpath . Hello

关于参数作用的解释：



运行结果：



图中黄色框框内的为foo函数的字节码，代码中每条指令占用1个字节，一共占用了8个字节，并且这些指令都没有参数。

在Java虚拟机中，指令的源参数和目标参数都是隐含的，称为零地址形式。

对于Java程序，每个线程在执行时都有一个PC计数器和一个Java栈。

PC计数器只对当前方法有效，Java虚拟机通过PC计数器的值来取指令执行。

Java栈用于记录Java方法调用的“活动记录”，以帧为单位保存线程的运行状态，每调用一个方法就会分配一个新的栈帧压入Java栈，没从一个方法返回则弹出并撤销相应的栈帧，每个栈帧包括局部变量区、求值栈和其他一些信息。方法的参数按从左到右的顺序保存在局部变量区开头的几个slot中。

对于foo（）函数，图示如下：



由于每条指令占用一个字节的空间，foo()函数的Java字节码左边的偏移量就是程序执行到每一行代码时PC的值，Java虚拟机最多只支持0xff条指令。

第一条指令iload_1可分为两部分：

第一部分为下划线左边的iload，iload是JVM指令集中的一条指令，i是指令前缀，表示操作类型为int类型，load表示将局部变量存入Java栈，类似的有lload、fload、dload，分别表示将long、float、double类型的数据进栈；

第二部分为下划线右边的数字，表示要操作具体两个局部变量，索引值从0开始计数；

iload_1表示将第二个int类型的局部变量进栈，即foo()函数的第一个参数

下面的几条指令同理。

第8条ireturn函数返回一个int值。

---------------------------转角分割线---------------------------------------

再来分析Dalvik虚拟机中的情况：

首先需要把class文件转换成dex文件，需要用到的命令为

dx --dex --output=Hello.dex Hello.class

关于参数的解释为：



可是执行的时候问题出现了，总是报Hello.class找不到的错误。。。


尝试了N次，大概共有三种方法，但是我只成功了两种，第三种还有问题没有解决。。。


方法一：将Hello.class文件与dx放在同一目录下，dx在SDK里面的build-tools文件夹下

命令同上

方法二：在help里面的第二个黄色框框后面，还有一个directory选项，所以将Hello.class替换为它所在的目录

这两种方法所生成的hex文件都在dx的同一目录下

dx --dex --output=Hello.dex e:/security/3

方法三：我用的是JDK1.7，貌似是版本太高了，所以要强制使用1.6重新编译

但是我不知道咋回事老错。。。。




总之现在得到了hex文件。。呵呵呵

现在要反编译Hello.hex文件得到Dalvik字节码，命令为

dexdump -d Hello.hex

关于参数的解释：



得到的结果为（黄色框框的部分）



有点不忍直视。。这一块的字节码为：

|[000198] Hello.foo:(II)I
|0000: add-int v0, v3, v4
|0002: sub-int v1, v3, v4
|0004: mul-int/2addr v0, v1
|0005: return v0

v3、v4代表函数的两个参数

第一条指令为V3、V4相加存入V0寄存器，以下同理。

仅用了四条指令....当然执行速度更快了。

Dalvik虚拟机运行时同样回味每个线程维护一个PC计数器和调用栈，至少这个调用栈维护一份寄存器列表，寄存器的数量在方法结构体的registers字段中给出，Dalvik虚拟机会根据这个值来创建一份虚拟的寄存器列表。

状态图如下：



---------------------------疲惫的分割线-------------------------------------