《Android 安全（二）》Smali语法基础

Github原文

Smali

smali/baksmali 是Android的Java VM实现dalvik使用的dex格式的汇编程序/反汇编程序。 语法松散地基于Jasmin/ dedexer的语法，并支持dex格式的全部功能（注释，调试信息，行信息等）

BuildProcedure(构建程序)

依赖

这可能是一份不完整的清单。如果您遇到遗漏的内容，请随时发表评论，我会将其添加

• jdk(8)
• git

其他所有内容都应该通过gradle / gradlew下载

构建

git clone https://github.com/JesusFreke/smali.git
cd smali
./gradlew build

(windows上，使用gradlew.bat 代替**./gradlew**)
生成的jar包位置

smali/build/libs/smali-.jar

baksmali/build/libs/baksmali-.jar

除此之外，通过

./gradlew proguard

可以构建出体积更小混淆后的jar文件

smali/build/libs/smali--small.jar

baksmali/build/libs/baksmali--small.jar

DeodexInstructions(Deodex说明)

说明

从v2.1.0开始，baksmali支持反编译ART oat文件。 支持的最低oat版本为56，也就是Android 6.0 / Marshmallow版本中的oat文件版本。 由于与字段排序有关的一些潜在问题，暂不支持M版本之前的oat文件反编译（例如Lollipop）。

你可以在oat文件上运行baksmali以获取其中所有odex文件的列表。

> adb pull /system/framework/arm/boot.oat boot.oat
> baksmali boot.oat
boot.oat contains multiple dex files. You must specify which one to disassemble with the -e option
Valid entries include:
/system/framework/core-libart.jar
/system/framework/conscrypt.jar
/system/framework/okhttp.jar
/system/framework/core-junit.jar
/system/framework/bouncycastle.jar
/system/framework/ext.jar
/system/framework/framework.jar
/system/framework/framework.jar:classes2.dex
/system/framework/telephony-common.jar
/system/framework/voip-common.jar
/system/framework/ims-common.jar
/system/framework/mms-common.jar
/system/framework/android.policy.jar
/system/framework/apache-xml.jar

通过如下操作我们可以反编译boot.oat中的framework jar文件

> adb pull /system/framework/arm/boot.oat /tmp/framework/boot.oat
> baksmali -x -c boot.oat -d /tmp/framework -e /system/framework/framework.jar /tmp/framework/boot.oat -o framework

或者通过如下方式反编译一个应用程序oat

> adb pull /system/framework/arm/boot.oat /tmp/framework/boot.oat
> adb pull /system/app/Calculator/oat/arm/Calculator.odex Calculator.odex
> baksmali -x -c boot.oat -d /tmp/framework Calculator.odex -o Calculator

注意，在反编译oat文件时不需要-a选项来指定API Level，baksmali会自动使用oat文件中的API Level。

从v1.4.0开始，deodexing过程已经大大简化了，不再需要通过-c选项指定其他类路径。

Deodexing现在很简单

baksmali -a  -x  -d 

odex文件常识

简而言之，odex文件就是classes.dex文件的优化版本，针对特定设备的优化。 值得一提的是，odex文件依赖于生成时加载的每个“BOOTCLASSPATH”文件。 odex文件仅在与这些确切的BOOTCLASSPATH文件一起使用时才有效。 dalvik通过存储odex文件所依赖的每个文件的校验和来强制执行此操作，并确保在加载odex文件时每个文件的校验和匹配。

除了加载的主apk / jar之外，BOOTCLASSPATH只是可以加载类的jars / apk列表而已。 一般android系统的基础BOOTCLASSPATH中包含5个jar包 - core.jar，ext.jar，framework.jar，android.policy.jar和services.jar。 这些都可以在/ system / framework中找到。 但是，有些apks依赖于额外的jar或apks文件。 例如，对于使用谷歌地图的应用程序，com.google.android.maps.jar将附加到该应用程序的apk的BOOTCLASSPATH中。

下面这几个由于odex的依赖性造成的问题有时会让事情变得比较麻烦。 首先 - 你不能从一个系统镜像中获取apk + odex文件并在另一个系统映像上运行它（除非其他系统映像使用完全相同的framework文件）。 另一个问题是，如果对任何BOOTCLASSPATH文件进行任何更改，它将使依赖于该文件的每个odex无效 - 基本上每个设备上的apk / jar都会失效。

Deodexing(反编译Odex)

以下示例默认你使用下载页面上提供的baksmali wrapper脚本来调用baksmali。 如果你是直接调用jar，可以将“baksmali”替换为“java -jar baksmali.jar”

deodexing的两个主要选项是-x和-d。 -x是告诉baksmali你想要deodex的对象，-d告诉baksmali从哪里加载依赖项。
依赖内容可以是odex文件的形式，也可以是包含classes.dex文件的jar / apk。两者皆可。

例如，你想从ICS镜像中反编译Calculator.odex文件并且所有的framework odex文件和jar包都放在一个名为framework的文件夹中，你就可以通过如下方式操作：

baksmali -a 15 -x Calculator.odex -d framework -o Calculator

反编译Calculator.odex，并将生成的deodexed smali文件放入名为Calculator的目录中。

Troubleshooting(问题解决)

Heap Space

你可能遇到的一个问题是它是否已用完堆内存。 该错误可能类似于“java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space”。 要解决此问题，可以使用-Xmx参数来增加堆大小。 尝试将其设置为512m。 当然，如果需要，你可以进一步增加它。 如果你使用wrapper script来调用baksmali，则可以使用-JXmx。 例如：

baksmali -JXmx512m -x blah.odex

或者通过如下方式直接调用jar包

java -Xmx512m -jar baksmali.jar -x blah.odex

Registers(寄存器)

介绍

在dalvik字节码中，寄存器是32位，并且可以保存任何类型的值。 2个寄存器用于保存64位类型（Long和Double）。

置顶方法中寄存器数量

有两种方法可以指定方法中有多少可用寄存器。 .registers指令指定方法中寄存器的总数，而.locals指令指定方法中非参数寄存器的数量。 寄存器总数包括保存方法参数所需的寄存器。

方法参数如何传递至方法

调用方法时，方法的参数将会被放置到倒数的n个寄存器中。如果某个方法有2个参数，5个寄存器（v0-v4），此时参数会被放置到最后两个寄存器中，也就是v3和v4。
对于非static方法，第一个参数永远都是调用该方法的对象。
比如，非static方法LMyObject;->callMe(II)V.，这个方法有2个int型参数，但是还存在一个隐型的 LMyObject; 参数在两个整型参数之前，所以这个方法有3个参数。

假设通过.registers 5 指令或者.local 2指令(i.e. 2个local寄存器和3个参数寄存器)来指定这个方法有5个寄存器(v0 - v4)，当方法被调用时，调用此方法的对象(也就是 this 引用)将会被放置到v2寄存器中，而第一个整型参数将会被放置到v3寄存器中，第二个整型参数会被放置到v4寄存器中。

对于static方法，只是少了一个隐型参数，this而已。

Register names(寄存器名称)

对于寄存器，有两种命名方案：普通的v开头命名方案和针对参数寄存器的p开头命名方案。我们继续看上面那个有3个参数，5个寄存器的方法，下面这个表格分别用两种命名方式来表示寄存器。

Local	Param	数量
v0		第一个local寄存器
v1		第二个local寄存器
v2	p0	第一个参数寄存器
v3	p1	第二个参数寄存器
v4	p2	第三个参数寄存器

Motivation for introducing parameter registers(引入参数寄存器的原因)

p开头命名方案的引入是为了解决大家在编辑smali过程中的共同烦恼。比方说，你想添加一下代码到一个有几个参数的方法，然后你发现，你需要一个额外的寄存器。你可能会想“这不是小问题嘛，只需要在.registers指令上加一个不就完事了”。

显然，问题不可能那么简单。记住一点，方法参数是存放在可用寄存器中倒数的几个寄存器中。如果你增加寄存器的数量，你将会改变方法参数存放的寄存器。因此，你必须更改.registers指令并重新编号每个参数寄存器。

但是如果在整个方法中使用p命名方案引用参数寄存器，则可以轻松更改方法中的寄存器数量，而无需担心重新编号任何现有寄存器。

注意：默认情况下，baksmali将使用参数寄存器的p命名方案。如果由于某种原因要禁用此命令并强制baksmali始终使用v命名方案，则可以使用-p / - no-parameter-registers选项。

Long/Double值

如前所述，Long和Double类型（分别为J和D）是64位值，需要2个寄存器。在引用方法参数时要记住这一点。
比如，有一个非static方法

LMyObject;->MyMethod(IJZ)V

方法参数类型依次是：LMyObject;, int, long, bool。所以，这个方法需要5个寄存器来存放参数。

Register	Type
p0	this
p1	I
p2,p3	J
p4	Z

SmaliBaksmali2.2

v2.2版本后，smail和baksmali有了新的脚手架工具。

baksmali disassemble app.apk -o app
smali assemble app -o classes.dex

执行baksmali help 和 smali help 查看入门内容。

注意以下几点：

• 你可以把apk或者oat文件当成文件夹，单独指定其中的文件作为对象，就像这样 baksmali disassemble app.apk/classes2.dex。执行baksmali help input查阅更多相关信息。
• deodexing时指定bootclasspath/classpath的命令选项做了小的调整。现在deodexing oat 文件，一般这样操作adb pull /system/framework framework && baksmali deodex app.odex -b framework/arm/boot.oat
• baksmail现在包含一系列列举dex/oat/apk 文件各种相关信息的命令
  • baksmali list dex boot.oat列举出oat文件中所有dex（此命令也适用于apk文件）
  • baksmali list classes app.apk列举apk/dex等文件中的所有类
  • baksmali list methods app.apk | wc -l获取当前dex文件中的方法数
• V2.2支持在Nougat版本上解码oat文件，并包含一些针对Marshmallow版本的错误修正
• 在dexlib2等文件中有一些重大的API更改。因此，如果你打算将工具升级到dexlib2 v2.2，你可能需要花点事件去解决一些问题

SmaliBaksmali2.0

smali/baksmali 2.0版本是下一个重大更新版本，主要就是dexlib的更新。当前正处于测试阶段，如果想体验一下，可以自行前往下载界面下载2.0b1 jar文件。

这对你意味着什么？大部分内容对你没有影响，值得一提的是它运行更快并且使用更少的内存。

但是，下面这几点你还是需要稍微注意一下。

Multithreading(多线程)

smali和baksmali现在是多线程的！默认情况下，它们使用可用的CPU数，最多为6。你可以使用-j选项进行设置。
为了在具有多线程的smali中获得最佳性能，最好稍微提高内存。如果你正在使用smali wrapper script，则可以通过添加-JXmx512m选项手动执行此操作。

smali -JXmx512m out -o classes.dex

当然，你可以使用默认只位512m的smali wrapper script

Language Changes(语言改动)

我利用一次重大修订的机会来调整语言本身的一些内容。

.parameter -> .param

.method parameters(IILjava/lang/String;)V
    .parameter
    .parameter
    .parameter stringParameter
...

变成

.method parameters(IILjava/lang/String;)V
    .param p3, "stringParameter"
...

.parameter指令现在为.param，它的工作方式与.local指令类似。 .param指令不是按顺序将.parameter信息与每个参数匹配，而是使用register参数指定与之关联的参数。

.array-data changes

.array-data 0x4
    0x0t 0x0t 0x80t 0x0t
    0x0t 0x0t 0x40t 0x0t
    0x0t 0x0t 0x20t 0x0t
    0x0t 0x0t 0x10t 0x0t
.end array-data

变成

.array-data 4
    0x800000
    0x400000
    0x200000
    0x100000
.end array-data

.array-data中的每个数字现在都是它自己的元素，而不是之前的语法，它会连接每个数字的little-endian编码，然后将完整的连接字节数组重新解释为n-byte little-endian序编码元素。

const/high16 and const-wide/high16

const/high16 v0, 0x1234
const-wide/high16 v0, 0x1234

变成

const/high16 v0, 0x12340000
const-wide/high16 v0, 0x1234000000000000

更改了* / high16指令的语法，以便它使用加载到寄存器中的实际值，而不仅仅是存储在指令中的16位。

也就是说指定除了顶部16位以外的位为非0是错误的。例如const/high16 v0, 0x12340001将会是错误的。

smalidea

smalidea是一个针对Intellij IDEA以及Android Studio 的smali语言插件。

Download(下载)

当前为alpha版本，持续开发中。

Features(特性)

当前能力

• 语法高亮/语法错误
• 字节码级调试
  • 断点
  • 指令级单步调试
  • 给任意寄存器添加watcher
  • 调试过程中，完全java风格表达式本地窗口支持等
• 跳转到定义处
• 查找引用
• 重命名
• 在java代码中引用smali类(但是当前还不能真正被编译)
• 问题报告 - 从错误对话框轻松创建新的github问题
  

计划能力

• 自动补全（指令名称，类名/方法名/变量名等等）
• 纯Smali工程编译
• 健壮性错误检测（如，全字节码检测）
• 流畅地项目导入过程
  • 自动检测源目录
  • 选择SDK
• APK作为新项目导入引导
• 添加“Smali Class"到“New…"菜单中
• 在“locals”窗格中显示具有值的所有寄存器
• “watch”窗格中设置寄存器的值

有潜力功能

• smali+java混合工程编译
• “引入新寄存器”
• 导入或者deodex设备framework作为新模块或者作为sdk
• 公开寄存器类型分析数据
  • 随时显示寄存器的预期类型
  • 寻找寄存器设值位置

安装

1. 下载最新smalidea zip 文件
2. 在IDEA或者Android Studio中“Settings->Plugins”中"Install plugin from disk"
3. “Apply”并且重启

调试

注意：单指令单步调试在 IDEA 14.1及以上版本支持(Android Studio是基于IDEA的，所以类似)。而此之前的版本，执行单步调试的时候，回调转到下一个.line指令，而不是下一条指令。

1. 使用baksmali反编译一个应用到"src"文件夹，并将其作为一个新工程的源文件夹。baksmali d myapp.apk -o ~/projects/myapp/src
2. IDEA中，导入新项目，选择刚才的新工程目录~/projects/myapp
3. 在导入项目时使用“Create project from existing sources”选项
4. 项目导入完成后，右键src文件夹，“Mark Directory As->Sources Root”
5. 打开项目设置界面，选择或者创建合适的JDK
6. 在设备上安装启动此应用
7. 运行DDMS，找到对应的应用进程
8. 在IDEA中，创建一个新的“Remote”调试配置(Run->Edit Configurations)，并改变调试端口至8700
9. Run -> Debug
10. 当断点被触发时，应用程序将会暂停，此时你可以单步，添加watch等

或者 在Android Studio3.2下进行如下操作：

1. 使用baksmali反编译一个应用到"src"文件夹，并将其作为一个新工程的源文件夹。baksmali d myapp.apk -o ~/projects/myapp/src
2. 在Android Studio中，关闭当前项目，执行“Open an existing Android Studio project”
3. 项目创建完成后，右键src文件夹，“Mark Directory As->Sources Root”
4. 确保应用AndroidManifest.xml中“android:debuggable=“true”。打开“USB调试”并且在“开发者选项”中使用“选择待调试应用”
5. 启动应用程序并将JDWP服务转发到localhost，adb forward tcp:8700 jdwp:$(timeout 0.5 adb jdwp | tail -n 1)
6. 在Android Studio中，创建一个新的“Remote”调试配置(Run->Edit Configurations)，并改变调试端口至8700
7. 在Android Studio中， Run -> Debug
8. 当断点被触发时，应用程序将会暂停，此时你可以单步，添加watch等

TypesMethodsAndField(类型，方法和字段)

类型

dalvik字节码有两个主要的类型，基本类型和引用类型。引用对象指的是对象，数组等基础类型外的所有类型。
每个基本类型都由单个字母代表。这并不是我想出来的点子，他们真真实实地以字符串的形式存储在dex文件中。它们在 dex-format.html 文档中被明确的指出来过(Android源码仓中dalvik/docs/dex-format.html)。

V	void - 只能用于返回类型
Z	boolean
B	byte
S	short
C	char
I	int
J	long(64bits)
F	float
D	double(64bits)

Object则是以Lpackage/name/ObjectName;的形式出现，L表明这是一个对象类型，package/name/指代包名，ObjectName为当前对象类型名称，:作为对象的结尾。这等价于java的package.name.ObjectName，以String这个具体的类型为例子，Ljava/lang/String;等价于java.lang.String。

Arrays(数字)则是以[I的形式出现，这指代的是一个int类型一维数组，也就是java中int[]。至于多维数组，只需要在前面添加一个或者多个[字符。[[I=int[][]，[[[I=int[][][](注意，数字的最大维度为255)。

对象数据，如[Ljava/lang/String;道理和上面是一样的。

方法

方法总是以非常详细的形式指定，包括方法的类型，方法名称，参数类型和返回类型。虚拟机需要所有这些信息才能找到正确的方法，并能够对字节码执行静态分析（用于验证/优化目的）。
一般形式如下：

Lpackage/name/ObjectName;->MethodName(III)Z

上面这个示例中，Lpackage/name/ObjectName;表示类型，MethodName表示方法名，(III)Z中III表示参数类型（3个int型），Z表示方法的返回类型（bool类型）。
方法参数一个接一个地列出，它们之间没有分隔符。
下面有一个更复杂的示例：

method(I[[IILjava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;

等价于

String method(int, int[][], int, String, Object[])

字段

字段同样总是以详细形式指定，包括包含字段的类型，字段名称和字段类型。同样，这些信息也是为了帮助虚拟机能够找到正确的字段，以及对字节码执行静态分析。
一般形式如下：

Lpackage/name/ObjectName;->FieldName:Ljava/lang/String;

这应该是不言自明的 - 它们分别是包名，字段名和字段类型。

UnresolvableOdexInstruction（暂时无法解决的Odex指令）

说明

在deodexing过程中，我们使用baksmali产生的一些smali文件中，你可能会注意到baksmali用一个throw或其他东西替换odexed指令的一些情况，其中的注释如“Replaced unresolvable optimized instruction with a throw”。

详情

比如，下面这段java代码：

Object blah = null;
blah.toString();

相对应的Smali代码为：

const v0, 0
invoke-virtual {v0}, Ljava/lang/Object;->toString();

这当然会导致空指针异常 - 但它是有效的代码。在实践中，这些案例更加隐蔽。

当代码被odexed时，invoke-virtual指令将被一个invoke-virtual-quick指令替换，如下所示：

const v0, 0
invoke-virtual-quick {v0), vtable@7

其中vtable @ 7是指向Object是抽象方法表中toString()方法的索引。

但请注意，上面的代码并没有提到该方法所在的类。由于v0始终为null，并且我们只有vtable索引，因此baksmali不可能知道要查看哪个类。所以，不可能deodex 这条指令。但是，我们可以尽量对其进行处理：用具有完全相同效果的内容来替换这条指令。记住v0始终为null，所以通过它调用任何方法都会导致空指针。所以Samli就使用同样会抛出空指针的内容来替换这条无法解决的odex指令。

除此之外，紧随上面这些无法解决的odex指令的code，由于永远无法执行而成为了冗余代码（除非有其他分支可以访问到它们）。或者在一些其他情况下，代码依赖的是一个我们无法解决的odex指令方法结果，那么这部分代码也是不可能被deodex的，因为，这部分代码无法被访问到，全被移除或者注释掉了。

因此，简而言之，这些情况不应影响字节码的语义/功能。当你看到“replaced unresolvable optimized instruction”，不必大惊小怪。Baksmali对这部分呢日用的处理不影响代码功能/语义（如果对功能/语义造成了影响，那就是baksmali的bug）。

目前，存在与此相关的已知问题，其中如果try块中的所有代码都被注释掉，因为它依赖一个无法解析的odex指令，则（空）try块保留在其中，并且当安装到设备上时，空 try块会导致dalvik拒绝dex文件。