Android安全学习笔记2-Dalvik虚拟机

Dalvik虚拟机学习

一、Dalvik虚拟机特点：

1）体积小，占用内存小

2）使用DEX可执行文件，执行速度快

3）常量池32位，寻址类方法名、字段、常量更快

4）基于寄存器，并拥有完整的指令系统

5）提供对象生命周期、堆栈、线程、安全、异常、垃圾回收等重要功能

6）每个Android程序对应一个Dalvik虚拟机实例

与JAVA虚拟机的区别

1）Dalvik字节码与JAVA字节码的不同

2）dx工具对class文件中方法签名、常量池等进行压缩精简

实验

构造这样的代码：

public class Java_Dalvik_Byte_Code_Compare{
    public int foo(int a, int b){
        return (a+b)*(a-b);
    }
    public static void main(String[] args) {
        Java_Dalvik_Byte_Code_Compare first = new Java_Dalvik_Byte_Code_Compare();
        System.out.println(first.foo(, ));
    }
}
           

• 使用

  javac xxx.java

  编译生成class文件
• 使用

  dx --dex --output=xxx.dex xxx.class

  生成dex文件
• 使用

  javap -c xxx.class

  反编译Java字节码

  Compiled from "Java_Dalvik_Byte_Code_Compare.java"
  public class Java_Dalvik_Byte_Code_Compare {
  public Java_Dalvik_Byte_Code_Compare();
    Code:
       : aload_0
       : invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       : return
  
  public int foo(int, int);
    Code:
       : iload_1
       : iload_2
       : iadd
       : iload_1
       : iload_2
       : isub
       : imul
       : ireturn
  
  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       : new           #2                  // class Java_Dalvik_Byte_Code_Compare
       : dup
       : invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
       : astore_1
       : getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      : aload_1
      : iconst_5
      : iconst_3
      : invokevirtual #5                  // Method foo:(II)I
      : invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      : return
  }
             

  • 使用

    dexdump.exe -d xxx.dex

    反编译dex文件

  Processing '.\Java_Dalvik_Byte_Code_Compare.dex'...
  Opened '.\Java_Dalvik_Byte_Code_Compare.dex', DEX version '035'
  Class #0            -
    Class descriptor  : 'LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;'
    Access flags      : x0001 (PUBLIC)
    Superclass        : 'Ljava/lang/Object;'
    Interfaces        -
    Static fields     -
    Instance fields   -
    Direct methods    -
      #0              : (in LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;)
        name          : '<init>'
        type          : '()V'
        access        : x10001 (PUBLIC CONSTRUCTOR)
        code          -
        registers     : 
        ins           : 
        outs          : 
        insns size    :  -bit code units
  c:                                        |[c] Java_Dalvik_Byte_Code_Compare.<init>:()V
  c:                            |: invoke-direct {v0}, Ljava/lang/Object;.<init>:()V // [email protected]
  : e00                                   |: return-void
        catches       : (none)
        positions     :
          x0000 line=
        locals        :
          x0000 - x0004 reg= this LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;
  
      #1              : (in LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;)
        name          : 'main'
        type          : '([Ljava/lang/String;)V'
        access        : x0009 (PUBLIC STATIC)
        code          -
        registers     : 
        ins           : 
        outs          : 
        insns size    :  -bit code units
  :                                        |[] Java_Dalvik_Byte_Code_Compare.main:([Ljava/lang/String;)V
  :                                |: new-instance v0, LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare; // [email protected]
  :                            |: invoke-direct {v0}, LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;.<init>:()V // [email protected]
  e:                                |: sget-object v1, Ljava/lang/System;.out:Ljava/io/PrintStream; // [email protected]
  :                                    |: const/ v2, #int  // #5
  :                                    |: const/ v3, #int  // #3
  : e30                           |: invoke-virtual {v0, v2, v3}, LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;.foo:(II)I // [email protected]
  c: a00                                   |c: move-result v0
  e: e20                           |d: invoke-virtual {v1, v0}, Ljava/io/PrintStream;.println:(I)V // [email protected]
  : e00                                   |: return-void
        catches       : (none)
        positions     :
          x0000 line=
          x0005 line=
          x0010 line=
        locals        :
  
    Virtual methods   -
      #0              : (in LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;)
        name          : 'foo'
        type          : '(II)I'
        access        : x0001 (PUBLIC)
        code          -
        registers     : 
        ins           : 
        outs          : 
        insns size    :  -bit code units
  :                                        |[] Java_Dalvik_Byte_Code_Compare.foo:(II)I
  a8:                                |: add-int v0, v3, v4
  ac:                                |: sub-int v1, v3, v4
  b0: b210                                   |: mul-int/addr v0, v1
  b2: f00                                   |: return v0
        catches       : (none)
        positions     :
          x0000 line=
        locals        :
          x0000 - x0006 reg= this LJava_Dalvik_Byte_Code_Compare;
  
    source_file_idx   :  (Java_Dalvik_Byte_Code_Compare.java)
             

对比两边foo()函数的代码，可以很明显看出基于寄存器的Dalvik虚拟机执行步骤相较于基于栈的JVM精简了很多。

另外注意，Dalvik反编译的汇编中参数顺序与入栈顺序一致。

Dalvik虚拟机执行程序流程

Zygote

1. 系统启动
2. init进程运行
3. 读取inic.rc并启动重要孵化器进程Zygote
4. Zygote初始化Dalvik虚拟机
5. 启动system_server并进入Zygote模式，通过socket等待命令
6. 当执行应用程序时，system_server通过socket通知Zygote，Zygote立刻fork自身创建一个Dalvik虚拟机实例来执行目标程序的入口函数。

Dalvik

1. Dalvik虚拟机运行loadClassFromDec()完成类装载，类数据结构为ClassObject
2. 使用gDvm.loadedClasses全局哈希表来存储/查询装载进来的类
3. 字节码验证器使用dvmVerifyCodeFlow()函数对载入的代码进行校验
4. 调用FindClass()函数查找并装载main方法类
5. 调用dvmInterpret()初始化解释器并执行字节码