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Apk文件结构简介

平台基础知识, 2009-08-27 16:02:02

标签 : 景涛 apk android Application package OPhone

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：

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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。

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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。

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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。

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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：

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  1. 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。

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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。

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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"/>  

　    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。

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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，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：

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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。

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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  

          看一下我们所关心的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  

　　　 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。网址为：

Android-Java 反编译工具 ophone class android eclipse java
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