Apk文件结构简介

http://www.ophonesdn.com/article/show/38

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：

 

|-- AndroidManifest.xml
|-- assets
|-- bin
|-- default.properties
|-- res
|   |-- drawable
|   |   `-- icon.png
|   |-- layout
|   |   `-- main.xml
|   `-- values
|       `-- strings.xml
`-- src
    `-- hello
        `-- world
            `-- hello.java

|-- AndroidManifest.xml |-- assets |-- bin |-- default.properties |-- res | |-- drawable | | `-- icon.png | |-- layout | | `-- main.xml | `-- values | `-- strings.xml `-- src `-- hello `-- world `-- 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。

 

package hello.world;

import android.app.Activity;
import android.os.Bundle;
import android.widget.TextView;

public class test extends Activity {
    /** Called when the activity is first created. */
    @Override
    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        TextView test = new TextView(this);
        Test.setText(“hello, OPhone”);
        setContentView(test);
    }
}

package hello.world; import android.app.Activity; import android.os.Bundle; import android.widget.TextView; public class test extends Activity { /** Called when the activity is first created. */ @Override public void onCreate(Bundle savedInstanceState) { super.onCreate(savedInstanceState); TextView test = new TextView(this); Test.setText(“hello, OPhone”); setContentView(test); } }

      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。

 

|-- AndroidManifest.xml
|-- assets
|-- bin
|   |-- classes.dex
|   |-- hello
|   |   `-- world
|   |       |-- R$attr.class
|   |       |-- R$drawable.class
|   |       |-- R$layout.class
|   |       |-- R$string.class
|   |       |-- R.class
|   |       `-- hello.class
|   |-- helloworld.apk
|   `-- resources.ap_
|-- default.properties
|-- gen
|   `-- hello
|       `-- world
|           `-- R.java
|-- res
|   |-- drawable
|   |   `-- icon.png
|   |-- layout
|   |   `-- main.xml
|   `-- values
|       `-- strings.xml
`-- src
    `-- hello
        `-- world
            `-- hello.java

|-- AndroidManifest.xml |-- assets |-- bin | |-- classes.dex | |-- hello | | `-- world | | |-- R$attr.class | | |-- R$drawable.class | | |-- R$layout.class | | |-- R$string.class | | |-- R.class | | `-- hello.class | |-- helloworld.apk | `-- resources.ap_ |-- default.properties |-- gen | `-- hello | `-- world | `-- R.java |-- res | |-- drawable | | `-- icon.png | |-- layout | | `-- main.xml | `-- values | `-- strings.xml `-- src `-- hello `-- world `-- 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。

 

|-- AndroidManifest.xml
|-- META-INF
|   |-- CERT.RSA
|   |-- CERT.SF
|   `-- MANIFEST.MF
|-- classes.dex
|-- res
|   |-- drawable
|   |   `-- icon.png
|   `-- layout
|       `-- main.xml
`-- resources.arsc

|-- AndroidManifest.xml |-- META-INF | |-- CERT.RSA | |-- CERT.SF | `-- MANIFEST.MF |-- classes.dex |-- res | |-- drawable | | `-- icon.png | `-- layout | `-- main.xml `-- 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：
 

java -jar AXMLPrinter2.jar AndroidManifest.xml

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。

 

# dexdump classes.dex
Processing 'classes.dex'...
Opened 'classes.dex', DEX version '035'
Class #0            -
  Class descriptor  : 'Lhello/world/R$attr;'
  …
Class #5            -
  Class descriptor  : 'Lhello/world/hello;'
  Access flags      : 0x0001 (PUBLIC)
  Superclass        : 'Landroid/app/Activity;'
  Interfaces        -
  Static fields     -
  Instance fields   -
  Direct methods    -
    #0              : (in Lhello/world/hello;)
      name          : '<init>'
      type          : '()V'
      access        : 0x10001 (PUBLIC CONSTRUCTOR)
      code          -
      registers     : 1
      ins           : 1
      outs          : 1
      insns size    : 4 16-bit code units
      catches       : (none)
      positions     :
        0x0000 line=7
      locals        :
        0x0000 - 0x0004 reg=0 this Lhello/world/hello;
  Virtual methods   -
    #0              : (in Lhello/world/hello;)
      name          : 'onCreate'
      type          : '(Landroid/os/Bundle;)V'
      access        : 0x0001 (PUBLIC)
      code          -
      registers     : 4
      ins           : 2
      outs          : 2
      insns size    : 17 16-bit code units
      catches       : (none)
      positions     :
        0x0000 line=11
        0x0003 line=13
        0x0008 line=14
        0x000d line=15
        0x0010 line=16
      locals        :
        0x0008 - 0x0011 reg=0 test Landroid/widget/TextView;
        0x0000 - 0x0011 reg=2 this Lhello/world/hello;
        0x0000 - 0x0011 reg=3 savedInstanceState Landroid/os/Bundle;
  source_file_idx   : 27 (hello.java)

# dexdump classes.dex Processing 'classes.dex'... Opened 'classes.dex', DEX version '035' Class #0 - Class descriptor : 'Lhello/world/R$attr;' … Class #5 - Class descriptor : 'Lhello/world/hello;' Access flags : 0x0001 (PUBLIC) Superclass : 'Landroid/app/Activity;' Interfaces - Static fields - Instance fields - Direct methods - #0 : (in Lhello/world/hello;) name : '<init>' type : '()V' access : 0x10001 (PUBLIC CONSTRUCTOR) code - registers : 1 ins : 1 outs : 1 insns size : 4 16-bit code units catches : (none) positions : 0x0000 line=7 locals : 0x0000 - 0x0004 reg=0 this Lhello/world/hello; Virtual methods - #0 : (in Lhello/world/hello;) name : 'onCreate' type : '(Landroid/os/Bundle;)V' access : 0x0001 (PUBLIC) code - registers : 4 ins : 2 outs : 2 insns size : 17 16-bit code units catches : (none) positions : 0x0000 line=11 0x0003 line=13 0x0008 line=14 0x000d line=15 0x0010 line=16 locals : 0x0008 - 0x0011 reg=0 test Landroid/widget/TextView; 0x0000 - 0x0011 reg=2 this Lhello/world/hello; 0x0000 - 0x0011 reg=3 savedInstanceState Landroid/os/Bundle; 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。

 

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

<!-- Directories of the project --> <property name="home" value="/home/danny/myproject/dedex/dedexer"/> <property name="junit-home" value="/home/danny/myproject/dedex"/> <!-- Directories derived from the source tree root --> <property name="classdir" value="${home}/classes"/> <property name="src" value="${home}/sources"/> <property name="testbase" value="${home}/testfiles"/> <!-- Directories derived from the JUnit base --> <property name="junit_jar" value="${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。

 

danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ ant
Buildfile: build.xml
init:
    [mkdir] Created dir: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes
compile:
    [javac] Compiling 48 source files to /home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes
    [javac] Note: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/sources/hu/uw/pallergabor/dedexer/Annotation.java uses unchecked or unsafe operations.
    [javac] Note: Recompile with -Xlint:unchecked for details.
package:
      [jar] Building jar: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/ddx.jar

BUILD SUCCESSFUL
Total time: 3 seconds

danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ ant Buildfile: build.xml init: [mkdir] Created dir: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes compile: [javac] Compiling 48 source files to /home/danny/myproject/dedex/dedexer/classes [javac] Note: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/sources/hu/uw/pallergabor/dedexer/Annotation.java uses unchecked or unsafe operations. [javac] Note: Recompile with -Xlint:unchecked for details. package: [jar] Building jar: /home/danny/myproject/dedex/dedexer/ddx.jar BUILD SUCCESSFUL 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：
 

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

danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ java -jar ddx1.5.jar -d [target folder] classes.dex Processing hello/world/R$string Processing hello/world/R$layout Processing hello/world/hello Processing hello/world/R$attr Processing hello/world/R Processing hello/world/R$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。

 

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

danny@danny-desktop:~/myproject/dedex$ ls hello/world/ 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。

 

class public hello/world/hello
.super android/app/Activity
.source hello.java

.method public <init>()V
.line 7
        invoke-direct   {v0},android/app/Activity/<init>        ; <init>()V
        return-void
.end method

.method public onCreate(Landroid/os/Bundle;)V
.line 11
        invoke-super    {v2,v3},android/app/Activity/onCreate   ; onCreate(Landroid/os/Bundle;)V
.line 13
        new-instance    v0,android/widget/TextView
        invoke-direct   {v0,v2},android/widget/TextView/<init>  ; <init>(Landroid/content/Context;)V
.line 14
        const-string    v1,"hello, OPhone"
        invoke-virtual  {v0,v1},android/widget/TextView/setText ; setText(Ljava/lang/CharSequence;)V
.line 15
        invoke-virtual  {v2,v0},hello/world/hello/setContentView        ; setContentView(Landroid/view/View;)V
.line 16
        return-void
.end method

class public hello/world/hello .super android/app/Activity .source hello.java .method public <init>()V .line 7 invoke-direct {v0},android/app/Activity/<init> ; <init>()V return-void .end method .method public onCreate(Landroid/os/Bundle;)V .line 11 invoke-super {v2,v3},android/app/Activity/onCreate ; onCreate(Landroid/os/Bundle;)V .line 13 new-instance v0,android/widget/TextView invoke-direct {v0,v2},android/widget/TextView/<init> ; <init>(Landroid/content/Context;)V .line 14 const-string v1,"hello, OPhone" invoke-virtual {v0,v1},android/widget/TextView/setText ; setText(Ljava/lang/CharSequence;)V .line 15 invoke-virtual {v2,v0},hello/world/hello/setContentView ; setContentView(Landroid/view/View;)V .line 16 return-void .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：
 

参考文献

1. http://www.ophonesdn.com/article/show/20
    
2. http://developer.android.com/guide/appendix/glossary.html
    
3. http://forum.xda-developers.com/showthread.php?t=514412
    
4. http://code.google.com/p/android4me/downloads/list
    
5. http://jasmin.sourceforge.net/
    
6. http://www.ophonesdn.com/article/show/18
    
7. http://dedexer.sourceforge.net/

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