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Apk檔案結構簡介

平台基礎知識, 2009-08-27 16:02:02

标簽 : 景濤 apk android Application package OPhone

一．引言

       做過OPhone/Android應用開發的人，對apk檔案應該不會陌生。apk檔案，即Android application package檔案。每個要安裝到OPhone平台的應用都要被編譯打包為一個單獨的檔案，字尾名為.apk，其中包含了應用的二進制代碼、資源、配置檔案等。

       本文将對apk檔案的結構和内容做一個簡單介紹，并以一個簡單的hello world程式為例，介紹一下apk檔案中二進制代碼dex檔案的反編譯過程。(作者：景濤）

二．Hello world示例

       為了叙述友善，我們先給出一個簡單的hello world程式。工程的目錄結構如下：

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  1. |-- AndroidManifest.xml  
  2. |-- assets  
  3. |-- bin  
  4. |-- default.properties  
  5. |-- res  
  6. |   |-- drawable  
  7. |   |   `-- icon.png  
  8. |   |-- layout  
  9. |   |   `-- main.xml  
  10. |   `-- values  
  11. |       `-- strings.xml  
  12. `-- src  
  13.     `-- hello  
  14.         `-- world  
  15.             `-- hello.java  

       　我使用的開發環境是eclipse及adt0.9和OPhone sdk 1.5。上圖中所有檔案和目錄都是根據建立工程時的配置自動生成的。hello.java是我在這個工程中唯一修改的地方，在程式執行時會在螢幕上顯示“hello, OPhone”的字樣。源碼如下，注意粗體為修改的代碼。

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  1. package hello.world;  
  2. import android.app.Activity;  
  3. import android.os.Bundle;  
  4. import android.widget.TextView;  
  5. public class test extends Activity {  
  6.     @Override  
  7.     public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {  
  8.         super.onCreate(savedInstanceState);  
  9.         TextView test = new TextView(this);  
  10.         Test.setText(“hello, OPhone”);  
  11.         setContentView(test);  
  12.     }  
  13. }  

      使用eclipse編譯之後可以看到工程的目錄結構發生了變化。bin和gen目錄是編譯之後産生的。

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  1. |-- AndroidManifest.xml  
  2. |-- assets  
  3. |-- bin  
  4. |   |-- classes.dex  
  5. |   |-- hello  
  6. |   |   `-- world  
  7. |   |       |-- R$attr.class  
  8. |   |       |-- R$drawable.class  
  9. |   |       |-- R$layout.class  
  10. |   |       |-- R$string.class  
  11. |   |       |-- R.class  
  12. |   |       `-- hello.class  
  13. |   |-- helloworld.apk  
  14. |   `-- resources.ap_  
  15. |-- default.properties  
  16. |-- gen  
  17. |   `-- hello  
  18. |       `-- world  
  19. |           `-- R.java  
  20. |-- res  
  21. |   |-- drawable  
  22. |   |   `-- icon.png  
  23. |   |-- layout  
  24. |   |   `-- main.xml  
  25. |   `-- values  
  26. |       `-- strings.xml  
  27. `-- src  
  28.     `-- hello  
  29.         `-- world  
  30.             `-- hello.java  

　　在gen目錄下生成了R.java檔案，這是系統根據資源檔案生成的。在bin目錄下生成了6個.class檔案，記住這一點。另外bin目錄下還生成了helloworld.apk，下面我們就來分析這個檔案。

三．Apk檔案結構

　　apk檔案實際是一個zip壓縮包，可以通過解壓縮工具解開。以下是我們用zip解開helloworld.apk檔案後看到的内容。可以看到其結構跟建立立的工程結構有些類似。

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  1. |-- AndroidManifest.xml  
  2. |-- META-INF  
  3. |   |-- CERT.RSA  
  4. |   |-- CERT.SF  
  5. |   `-- MANIFEST.MF  
  6. |-- classes.dex  
  7. |-- res  
  8. |   |-- drawable  
  9. |   |   `-- icon.png  
  10. |   `-- layout  
  11. |       `-- main.xml  
  12. `-- resources.arsc  

3.1 Manifest檔案

　　AndroidManifest.xml是每個應用都必須定義和包含的，它描述了應用的名字、版本、權限、引用的庫檔案等等資訊[ , ]，如要把apk上傳到Google Market上，也要對這個xml做一些配置。網上已有很多資料，在此就不多做介紹了。

在apk中的AndroidManifest.xml是經過壓縮的，可以通過AXMLPrinter2工具[ , ]解開，具體指令為：

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  1. java -jar AXMLPrinter2.jar AndroidManifest.xml  

3.2 META-INF目錄

　　META-INF目錄下存放的是簽名資訊，用來保證apk包的完整性和系統的安全。在eclipse編譯生成一個api包時，會對所有要打包的檔案做一個校驗計算，并把計算結果放在META-INF目錄下。而在OPhone平台上安裝apk包時，應用管理器會按照同樣的算法對包裡的檔案做校驗，如果校驗結果與META-INF下的内容不一緻，系統就不會安裝這個apk。這就保證了apk包裡的檔案不能被随意替換。比如拿到一個apk包後，如果想要替換裡面的一幅圖檔，一段代碼， 或一段版權資訊，想直接解壓縮、替換再重新打包，基本是不可能的。如此一來就給病毒感染和惡意修改增加了難度，有助于保護系 統的安全。

3.3 classes.dex檔案

       classes.dex是java源碼編譯後生成的java位元組碼檔案。但由于Android使用的dalvik虛拟機與标準的java虛拟機是不相容的，dex檔案與class檔案相比，不論是檔案結構還是opcode都不一樣。目前常見的java反編譯工具都不能處理dex檔案。

       Android模拟器中提供了一個dex檔案的反編譯工具，dexdump。用法為首先啟動Android模拟器，把要檢視的dex檔案用adb push上傳的模拟器中，然後通過adb shell登入，找到要檢視的dex檔案，執行dexdump xxx.dex。

       仍然以hello world程式作為示範。

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  1. # dexdump classes.dex  
  2. Processing 'classes.dex'...  
  3. Opened 'classes.dex', DEX version '035'  
  4. Class #0            -  
  5.   Class descriptor  : 'Lhello/world/R$attr;'  
  6.   …  
  7. Class #5            -  
  8.   Class descriptor  : 'Lhello/world/hello;'  
  9.   Access flags      : 0x0001 (PUBLIC)  
  10.   Superclass        : 'Landroid/app/Activity;'  
  11.   Interfaces        -  
  12.   Static fields     -  
  13.   Instance fields   -  
  14.   Direct methods    -  
  15.     #0              : (in Lhello/world/hello;)  
  16.       name          : '<init>'  
  17.       type          : '()V'  
  18.       access        : 0x10001 (PUBLIC CONSTRUCTOR)  
  19.       code          -  
  20.       registers     : 1  
  21.       ins           : 1  
  22.       outs          : 1  
  23.       insns size    : 4 16-bit code units  
  24.       catches       : (none)  
  25.       positions     :   
  26.         0x0000 line=7  
  27.       locals        :   
  28.         0x0000 - 0x0004 reg=0 this Lhello/world/hello;   
  29.   Virtual methods   -  
  30.     #0              : (in Lhello/world/hello;)  
  31.       name          : 'onCreate'  
  32.       type          : '(Landroid/os/Bundle;)V'  
  33.       access        : 0x0001 (PUBLIC)  
  34.       code          -  
  35.       registers     : 4  
  36.       ins           : 2  
  37.       outs          : 2  
  38.       insns size    : 17 16-bit code units  
  39.       catches       : (none)  
  40.       positions     :   
  41.         0x0000 line=11  
  42.         0x0003 line=13  
  43.         0x0008 line=14  
  44.         0x000d line=15  
  45.         0x0010 line=16  
  46.       locals        :   
  47.         0x0008 - 0x0011 reg=0 test Landroid/widget/TextView;   
  48.         0x0000 - 0x0011 reg=2 this Lhello/world/hello;   
  49.         0x0000 - 0x0011 reg=3 savedInstanceState Landroid/os/Bundle;   
  50.   source_file_idx   : 27 (hello.java)   

 　　Dexdump的結果可以看到有class0到class5六個class，跟工程目錄下bin目錄中的class數目相對應，可以想象dex檔案包含了所有的class檔案。但對hello.java的反編譯結果（Class #5）中很難發現我們做的修改，即如何輸出“hello, OPhone”。分支跳轉表的反編譯不完整，嚴格來說就沒有完整的dump出來。fill-array-data表也存在同樣的問題。還有其他很多限制。總的來說dexdump反編的結果可讀性很差。

       目前在網上能找到的另一個dex檔案的反編譯工具是Dedexer。Dedexer可以讀取dex格式的檔案，生成一種類似于彙編語言的輸出。這種輸出與jasmin[ ]的輸出相似，但包含的是Dalvik的位元組碼。我們會在下一節詳細介紹一下Dedexer。

3.4 res目錄

      res目錄存放資源檔案。關于apk檔案中的資源管理，OPhone SDN網站上已經有文章做過詳細介紹[ ]，就不在此敷述。

3.5 resources.arsc

      編譯後的二進制資源檔案。

四．反編譯工具Dedexer

        Dedexer是目前在網上能找到的唯一一個反編譯dex檔案的開源工具[ ]。Dedexer下載下傳後需要編譯才能使用。如果你用過ant編譯java程式，那麼編譯Dedexer是一件非常簡單的工作。注意目前Dedexer的最新版本是1.5，隻能使用junit4.5編譯。下面以linux環境為例，講一下Dedexer的編譯使用過程。

       下載下傳ddx1.5.zip後，解壓縮會産生一個dedexer目錄，其中包含build.xml檔案。我們需要根據本機的環境配置build.xml的内容，注意下面的粗體部分是我本機的配置。

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

　    環境配置好之後可以開始編譯了。當然要保證你已經安裝好了ant編譯工具。執行ant。

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  1. danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ ant  
  2. Buildfile: build.xml  
  3. init:  
  4.     [mkdir] Created dir: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes  
  5. compile:  
  6.     [javac] Compiling 48 source files to /home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes  
  7.     [javac] Note: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/sources/hu/uw/pallergabor/dedexer/Annotation.java uses unchecked or unsafe operations.  
  8.     [javac] Note: Recompile with -Xlint:unchecked for details.  
  9. package:  
  10.       [jar] Building jar: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/ddx.jar  
  11. BUILD SUCCESSFUL  
  12. Total time: 3 seconds  

　　好了，編譯dedexer成功，隻用了3秒種，生成了ddx.jar檔案。我習慣修改一下它的檔案名，加上版本号。用來反編譯的指令如下：

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

　 dedexer為每個class檔案生成了一個字尾為ddx的檔案。不出所料，有6個ddx檔案。

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

          看一下我們所關心的hello.ddx的内容。

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  1. class public hello/world/hello  
  2. .super android/app/Activity  
  3. .source hello.java  
  4. .method public <init>()V  
  5. .line 7  
  6.         invoke-direct   {v0},android/app/Activity/<init>        ; <init>()V  
  7.         return-void  
  8. .end method  
  9. .method public onCreate(Landroid/os/Bundle;)V  
  10. .line 11  
  11.         invoke-super    {v2,v3},android/app/Activity/onCreate   ; onCreate(Landroid/os/Bundle;)V  
  12. .line 13  
  13.         new-instance    v0,android/widget/TextView  
  14.         invoke-direct   {v0,v2},android/widget/TextView/<init>  ; <init>(Landroid/content/Context;)V  
  15. .line 14  
  16.         const-string    v1,"hello, OPhone"  
  17.         invoke-virtual  {v0,v1},android/widget/TextView/setText ; setText(Ljava/lang/CharSequence;)V  
  18. .line 15  
  19.         invoke-virtual  {v2,v0},hello/world/hello/setContentView        ; setContentView(Landroid/view/View;)V  
  20. .line 16  
  21.         return-void  
  22. .end method  

　　　 從反編譯的結果來看，代碼的可讀性仍然比較差，但比dexdump相比要好一些。我們能夠看到“hello, OPhone”字元串是通過invoke-virtual {v0, v1}, android/widget/TextView/setText調用的。

　　　 dedexer與dexdump相比至少有3個優點。一，不需要在android模拟器中運作。二，把dex檔案按照java源代碼package的目錄結建構好了目錄，每個class檔案對應一個ddx檔案。不像dexdump那樣把所有的結果都放在一起。三，按照Dedexer作者的說法，可以把Dedexer作為一個像jasmin那樣的反編譯引擎，目前好多強大的java反編譯工具都是以jasmin作為反編譯引擎的。

五．結束語

　　本文簡單介紹了apk檔案的結構和内容，并介紹了反編譯工具Dedexer的用法。也希望我在這裡抛磚引玉，讓更多的高手了解apk檔案的結構，熟悉Dedexer這個反編譯引擎，将來寫出威力更高，可讀性更強的dex反編譯工具。網址為：

Android-Java 反編譯工具 ophone class android eclipse java
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