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[原创]APK反破解之四:Android代码动态加载技术

ZhWeir 2011-11-2 19:53 28165
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Android类动态加载技术

    Android应用开发在一般情况下,常规的开发方式和代码架构就能满足我们的普通需求。但是有些特殊问题,常常引发我们进一步的沉思。我们从沉思中产生顿悟,从而产生新的技术形式。

    如何开发一个可以自定义控件的Android应用?就像eclipse一样,可以动态加载插件;如何让Android应用执行服务器上的不可预知的代码?如何对Android应用加密,而只在执行时自解密,从而防止被破解?……

    熟悉Java技术的朋友,可能意识到,我们需要使用类加载器灵活的加载执行的类。这在Java里已经算是一项比较成熟的技术了,但是在Android中,我们大多数人都还非常陌生。

类加载机制      

    Dalvik虚拟机如同其他Java虚拟机一样,在运行程序时首先需要将对应的类加载到内存中。而在Java标准的虚拟机中,类加载可以从class文件中读取,也可以是其他形式的二进制流。因此,我们常常利用这一点,在程序运行时手动加载Class,从而达到代码动态加载执行的目的。

    然而Dalvik虚拟机毕竟不算是标准的Java虚拟机,因此在类加载机制上,它们有相同的地方,也有不同之处。我们必须区别对待。

    例如,在使用标准Java虚拟机时,我们经常自定义继承自ClassLoader的类加载器。然后通过defineClass方法来从一个二进制流中加载Class。然而,这在Android里是行不通的,大家就没必要走弯路了。参看源码我们知道,Android中ClassLoader的defineClass方法具体是调用VMClassLoader的defineClass本地静态方法。而这个本地方法除了抛出一个“UnsupportedOperationException”之外,什么都没做,甚至连返回值都为空。

static void Dalvik_java_lang_VMClassLoader_defineClass(const u4* args, JValue* pResult)
{

    Object* loader = (Object*) args[0];
    StringObject* nameObj = (StringObject*) args[1];
    const u1* data = (const u1*) args[2];
    int offset = args[3];
    int len = args[4];

    Object* pd = (Object*) args[5];
    char* name = NULL;

    name = dvmCreateCstrFromString(nameObj);
    LOGE("ERROR: defineClass(%p, %s, %p, %d, %d, %p)\n", loader, name, data, offset, len, pd);

    dvmThrowException("Ljava/lang/UnsupportedOperationException;", "can't load this type of class file");

    free(name);
    RETURN_VOID();
}


Dalvik虚拟机类加载机制

    那如果在Dalvik虚拟机里,ClassLoader不好使,我们如何实现动态加载类呢?Android为我们从ClassLoader派生出了两个类:DexClassLoader和PathClassLoader。其中需要特别说明的是PathClassLoader中一段被注释掉的代码:

/**//* --this doesn't work in current version of Dalvik--

    if (data != null) {

        System.out.println("--- Found class " + name + " in zip[" + i + "] '" + mZips[i].getName() + "'");

        int dotIndex = name.lastIndexOf('.');
        if (dotIndex != -1) {

            String packageName = name.substring(0, dotIndex);

            synchronized (this) {

                Package packageObj = getPackage(packageName);

                if (packageObj == null) {
                    definePackage(packageName, null, null, null, null, null, null, null);
                }
            }
        }

        return defineClass(name, data, 0, data.length);
    }
*/


       这从另一方面佐证了defineClass函数在Dalvik虚拟机里确实是被阉割了。而在这两个继承自ClassLoader的类加载器,本质上是重载了ClassLoader的findClass方法。在执行loadClass时,我们可以参看ClassLoader部分源码:

protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {

    Class<?> clazz = findLoadedClass(className);

    if (clazz == null) {

        try {
            clazz = parent.loadClass(className, false);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // Don't want to see this.
        }

        if (clazz == null) {
            clazz = findClass(className);
        }
    }

    return clazz;
}


    因此DexClassLoader和PathClassLoader都属于符合双亲委派模型的类加载器(因为它们没有重载loadClass方法)。也就是说,它们在加载一个类之前,回去检查自己以及自己以上的类加载器是否已经加载了这个类。如果已经加载过了,就会直接将之返回,而不会重复加载。

    DexClassLoader和PathClassLoader其实都是通过DexFile这个类来实现类加载的。这里需要顺便提一下的是,Dalvik虚拟机识别的是dex文件,而不是class文件。因此,我们供类加载的文件也只能是dex文件,或者包含有dex文件的.apk或.jar文件。

    也许有人想到,既然DexFile可以直接加载类,那么我们为什么还要使用ClassLoader的子类呢?DexFile在加载类时,具体是调用成员方法loadClass或者loadClassBinaryName。其中loadClassBinaryName需要将包含包名的类名中的”.”转换为”/”。我们看一下loadClass代码就清楚了:

public Class loadClass(String name, ClassLoader loader) {

        String slashName = name.replace('.', '/');
        return loadClassBinaryName(slashName, loader);
}


    在这段代码前有一段注释,截取关键一部分就是说:If you are not calling this from a class loader, this is most likely not going to do what you want. Use {@link Class#forName(String)} instead. 这就是我们需要使用ClassLoader子类的原因。至于它是如何验证是否是在ClassLoader中调用此方法的,我没有研究,大家如果有兴趣可以继续深入下去。

    有一个细节,可能大家不容易注意到。PathClassLoader是通过构造函数new DexFile(path)来产生DexFile对象的;而DexClassLoader则是通过其静态方法loadDex(path, outpath, 0)得到DexFile对象。这两者的区别在于DexClassLoader需要提供一个可写的outpath路径,用来释放.apk包或者.jar包中的dex文件。换个说法来说,就是PathClassLoader不能主动从zip包中释放出dex,因此只支持直接操作dex格式文件,或者已经安装的apk(因为已经安装的apk在cache中存在缓存的dex文件)。而DexClassLoader可以支持.apk、.jar和.dex文件,并且会在指定的outpath路径释放出dex文件。

    另外,PathClassLoader在加载类时调用的是DexFile的loadClassBinaryName,而DexClassLoader调用的是loadClass。因此,在使用PathClassLoader时类全名需要用”/”替换”.”。

实际操作

    这一部分比较简单,因此我就不赘言了。只是简单的说下。

    可能使用到的工具都比较常规:javac、dx、eclipse等。其中dx工具最好是指明--no-strict,因为class文件的路径可能不匹配。

    加载好类后,通常我们可以通过Java反射机制来使用这个类。但是这样效率相对不高,而且老用反射代码也比较复杂凌乱。更好的做法是定义一个interface,并将这个interface写进容器端。待加载的类,继承自这个interface,并且有一个参数为空的构造函数,以使我们能够通过Class的newInstance方法产生对象。然后将对象强制转换为interface对象,于是就可以直接调用成员方法了。

关于代码加密的一些设想

    最初设想将dex文件加密,然后通过JNI将解密代码写在Native层。解密之后直接传上二进制流,再通过defineClass将类加载到内存中。

    现在也可以这样做,但是由于不能直接使用defineClass,而必须传文件路径给dalvik虚拟机内核,因此解密后的文件需要写到磁盘上,增加了被破解的风险。

    Dalvik虚拟机内核仅支持从dex文件加载类的方式是不灵活的,由于没有非常深入的研究内核,我不能确定是Dalvik虚拟机本身不支持还是Android在移植时将其阉割了。不过相信Dalvik或者是Android开源项目都正在向能够支持raw数据定义类方向努力。

    我们可以在文档中看到Google说:Jar or APK file with "classes.dex". (May expand this to include "raw DEX" in the future.);在Android的Dalvik源码中我们也能看到RawDexFile的身影(不过没有具体实现)。

    在RawDexFile出来之前,我们都只能使用这种存在一定风险的加密方式。需要注意释放的dex文件路径及权限管理,另外,在加载完毕类之后,除非出于其他目的否则应该马上删除临时的解密文件。

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最新回复 (10)
hzHC 2011-11-8 11:38
2
先占个座 ,手机的很有前途
mywxc 2011-11-9 01:39
3
我也在用Andoird的系统,抢个沙发慢慢看
kevinTTT 2011-11-13 00:27
4
关于classloader,建议看看“dynamic class loading in the java virtual machine”和“The.Java.Programming.Language,4th.Edition"的16.13章节。
mccxxiv 2012-11-25 23:32
5
很不错。有时间再详细看看。。
beyoar 2013-1-21 11:01
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给个示例就好了。呵呵
nottoobad 2013-1-23 14:46
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不是很明白,既然有最后解密的过程,自然就可以找到解密的算法和密钥,再怎么动态加载类又有什么用呢?
蛋蛋蛋蛋 2016-1-12 14:28
8
mark一下,免得以后忘了
静思围棋 2016-1-14 01:01
9
正好用到。感谢
jifengdj 2016-1-14 08:13
10
先收藏了,用到时再来看
binlanone 2016-1-14 11:16
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