android apk 防止反编译技术第二篇-运行时修改Dalvik指令

防止apk反编译的技术-运行时修改字节码。这种方法是在工作中在实现app wrapping时，看到国外的一篇关于android 安全的介绍实现的并且独创。下面我们来介绍一下这种方法。
       

我们知道apk生成后所有的java生成的class文件都被dx命令整合成了一个classes.dex文件，当apk运行时dalvik虚拟机加载classes.dex文件并且用dexopt命令进行进一步的优化成odex文件。我们的方法就是在这个过程中修改dalvik指令来达到我们的目的。

 

一、dex文件格式

dex的文件格式通常有7个主要部分和数据區组成，格式如下：





 

header部分记录了主要的信息其他的部分只是索引，索引的内容存在data区域。

 

Header部分结构如下：

 

字段名称	偏移值	长度	描述
magic	0x0	8	'Magic'值，即魔数字段，格式如”dex/n035/0”，其中的035表示结构的版本。
checksum	0x8	4	校验码。
signature	0xC	20	SHA-1签名。
file_size	0x20	4	Dex文件的总长度。
header_size	0x24	4	文件头长度，009版本=0x5C,035版本=0x70。
endian_tag	0x28	4	标识字节顺序的常量,根据这个常量可以判断文件是否交换了字节顺序,缺省情况下=0x78563412。
link_size	0x2C	4	连接段的大小，如果为0就表示是静态连接。
link_off	0x30	4	连接段的开始位置，从本文件头开始算起。如果连接段的大小为0，这里也是0。
map_off	0x34	4	map数据基地址。
string_ids_size	0x38	4	字符串列表的字符串个数。
string_ids_off	0x3C	4	字符串列表表基地址。
type_ids_size	0x40	4	类型列表里类型个数。
type_ids_off	0x44	4	类型列表基地址。
proto_ids_size	0x48	4	原型列表里原型个数。
proto_ids_off	0x4C	4	原型列表基地址。
field_ids_size	0x50	4	字段列表里字段个数。
field_ids_off	0x54	4	字段列表基地址。
method_ids_size	0x58	4	方法列表里方法个数。
method_ids_off	0x5C	4	方法列表基地址。
class_defs_size	0x60	4	类定义类表中类的个数。
class_defs_off	0x64	4	类定义列表基地址。
data_size	0x68	4	数据段的大小，必须以4字节对齐。
data_off	0x6C	4	数据段基地址

 

dex与class文件相比的一个优势，就是将所有的常量字符串集统一管理起来了，这样就可以减少冗余，最终的dex文件size也能变小一些。详细的dex文件介绍就不说了，有兴趣的可以查看android 源码dalvik/docs目录下的dex-format.html文件有详细介绍。不过我记得在android4.0版本后就没有了这个文件。

根据上面的dex文件的格式结构，dalvik虚拟机运行dex文件执行的字节码就存在method_ids区域里面。我们查看dalvik虚拟机源码会有一个

        struct DexCode { 

        u2  registersSize; 

        u2  insSize; 

        u2  outsSize; 

        u2  triesSize; 

        u4  debugInfoOff;       /* file offset to debug info stream */ 

        u4  insnsSize;          /* size of the insns array, in u2 units */ 

        u2  insns[1]; 

        /* followed by optional u2 padding */ 

        /* followed by try_item[triesSize] */ 

        /* followed by uleb128 handlersSize */  

        /* followed by catch_handler_item[handlersSize] */ 

    }; 

这样一个结构，这里的insns数组存放的就是dalvik的字节码。我们只要定位到相关类方法的DexCode数据段，即可通过修改insns数组，从而实现我们的目的。

 

二、odex文件格式

 

        apk安装或启动时，会通过dexopt来将dex生成优化的odex文件。过程是将apk中的classes.dex解压后，用dexopt处理并保存为/data/dalvik-cache/data@app@<package-name>-X.apk@classes.dex文件。

 odex文件结构如下：





从上图中我们发现dex文件作为优化后的odex的一部分，我们只需要从odex中找出dex的部分即可以了。

 

三、方法实现

        要实现修改字节码，就需要先定位到想要修改得代码的位置，这就需要先解析dex文件。dex文件的解析在dalvik源码的dexDump.cpp给出了我们具体的实现，根据它的实现我们可以查找我们需要的类及方法。具体实现步骤如下：

（1）    找到我们apk生成的odex文件，获得odex文件在内存中的映射地址和大小。实现代码如下：

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

void   *base = NULL;      int   module_size = 0;      char   filename[512];      // simple test code  here!      for ( int   i=0; i<2; i++){             sprintf (filename, "/data/dalvik-cache/data@app@%s-%d.apk@classes.dex" ,  "com.android.dex" , i+1);   base = get_module_base(-1, filename); //获得odex文件在内存中的映射地址      if (base != NULL){             break ;      }      }     module_size = get_module_size(-1, filename);  //获得odex文件大小

（2）    知道dex文件在odex中的偏移，以便解析dex文件。代码如下：

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

// search dex from odex      void   *dexBase = searchDexStart(base);      if (checkDexMagic(dexBase) ==  false ){             ALOGE( "Error! invalid dex format at: %p" , dexBase);             return ;      }

 

（3）    找到dex偏移以后就可以解析dex文件，从而查找我们要进行替换的方法所在的类，然后在该类中找到该方法并返回该方法对应的DexCode结构体。函数实现如下：

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

static   const   DexCode *dexFindClassMethod(DexFile *dexFile,  const   char   *clazz,  const   char   *method)   {        DexClassData* classData = dexFindClassData(dexFile, clazz);        if (classData == NULL)  return   NULL;        const   DexCode* code = dexFindMethodInsns(dexFile, classData, method);        if (code != NULL) {            dumpDexCode(code);        }        return   code;   }

（4）    找到DexCode后就可以进行指令替换了。实现如下：

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

const   DexCode  *code =        dexFindClassMethod(&gDexFile,  "Lcom/android/dex/myclass;" ,  "setflagHidden" );   const   DexCode*code2 =     dexFindClassMethod(&gDexFile,  "Lcom/android/dex/myclass;" ,  "setflag" );        // remap!!!!        if (mprotect(base, module_size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC) == 0){        DexCode *pCode = (DexCode *)code2;        // Modify!        pCode->registersSize = code->registersSize;            for (u4 k=0; k<code->insnsSize; k++){                   pCode->insns[k] = code->insns[k];            }          mprotect(base, module_size, PROT_READ | PROT_EXEC);   }

注意：由于是在运行时修改的dalvik指令，这是进程的内存映射为只读的，所以需要调用mprotect函数将只读改为读写才能进行指令的修改。