Android 程序的动态调试
Android 程序的动态调试
- 编译生成原生程序
- 使用ndk-build编译原生程序
- 使用Eclipse自动编译原生程序
- 使用IDA Pro调试Android原生程序
- 远程运行调试Android原生可执行程序
- 远程附加调试Android原生动态链接库
- 总结IDA调试的流程
- 一些问题及解决方法
编译生成原生程序
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NDK简介：
NDK（英语：Native Development Kit，简称NDK）是一种基于原生程序接口的软件开发工具。通过此工具开发的程序直接以本地语言运行，而非虚拟机。因此只有Java等基于虚拟机运行的语言的程序才会有原生开发工具包。
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NDK是一系列工具的集合：
NDK提供了一系列的工具，帮助开发者快速开发C（或C++）的动态库，并能自动将so和java应用一起打包成apk。这些工具对开发者的帮助是巨大的；
NDK集成了交叉编译器，并提供了相应的.mk文件以隔离CPU、平台、ABI等差异，开发人员只需要简单修改.mk文件，指出“哪些文件需要编译”、“编译特性要求”等，就可以创建出.so文件；
NDK可以自动地将.so文件和Java应用一起打包，极大地减轻了开发人员的打包工作。
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我们为什么要使用NDK?
a. 代码的保护。由于apk的java层代码很容易被反编译，而C/C++库的反汇编难度较大；
b. 可以方便地使用现存的开源库。大部分现存的开源库都是用C/C++代码编写的；
c. 提高程序的执行效率。将要求高性能的应用逻辑使用C开发，从而提高应用程序的执行效率；
d. 便于移植。用C/C++写出的库可以方便地在其他嵌入式平台上再次使用。
使用ndk-build编译原生程序
总体思路：
在Eclipse中建立一个Android工程，在工程的根目录下新建一个名称为jni的文件夹，将编写好的 test.c文件复制到此文件夹中，或者直接在jni文件夹下新建一个文件，命名为test.c，接着编写ndk-build所需的脚本文件。
Android.mk文件是工程的编译脚本，告知编译系统关于源文件的一些信息，描述了编译原生程序所需的编译选项、头文件、源文件等等。
一个Android.mk文件由若干条定义语句组成，此文件中常用到的几个语句包括：
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LOCAL_PATH := $(call my-dir)
Android.mk文件开头必须先定义好LOCAL_PATH变量。LOCAL_PATH定义了本地源码的路径，它用于在开发树中查找源文件。call my-dir指定了调用my-dir宏，这个宏函数是编译系统提供的，用于返回Android.mk文件本身所在的路径。 -
include $(CLEAR_VARS)
CLEAR_VARS由编译系统提供，指定让编译系统清除掉一些已经定义过的宏（如LOCAL_MODULE，LOCAL_SRC_FILES，LOCAL_STATIC_LIBRARIES等等），这些宏的定义都是全局的。当一个GNU MAKE在编译多个模块时，必须清除并重新设置它们。 -
LOCAL_ARM_MODE := arm
LOCAL_ARM_MODE指定生成的原生程序所使用的ARM指令模式，取值为arm或者thumb。arm表示使用32位的arm指令系统，thumb表示使用16位的arm指令系统。 -
LOCAL_MODULE :=test
LOCAL_MODULE指定模块的名称，即原生程序生成后的文件名。注意，如果生成共享库模块，编译系统会自动产生合适的前缀和后缀，对于本例中的源文件最终将生成名为libtest.so的共享库。 -
LOCAL_SRC_FILES := test.c
LOCAL_SRC_FILES指定将要编译打包进模块中的C\C++源代码文件列表，此处只有一个test.c文件。 -
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)
此语句用来指定生成的文件类型。BUILD_EXECUTABLE表示生成可执行程序，BUILD_SHARED_LIBRARY表示生成动态库，BUILD_STATIC_LIBRARY表示生成静态库。
实验步骤：
①安装Android NDK：
在电脑上安装NDK，我使用的版本为android-ndk-r8-windows-x86_64。安装完成后，新建一个系统变量，命名为NDK_ROOT，值为安装路径，最后将%NDK_ROOT%添加到环境变量Path中后，Android NDK安装完成。
在DOS中输入ndk-build进行测试，输出如下信息，说明Android NDK已经正常安装了。
②新建一个Android工程，命名为JNI，右键工程JNI，新建一个文件夹，将其命名为jni。
新建Android工程JNI，如图所示：
在工程中新建一个文件夹，命名为jni，如图所示：
添加文件夹jni后的工程结构如图所示：
③在JNI工程的jni文件夹下新建两个文件，按下图所示命名：
其中Android.mk的内容如图所示：
test.c的内容如图所示：
④Android.mk与test.c两个文件编写完后，在DOS窗口下进入工程下的jni目录。输入ndk-build命令，在工程根目录下生成了一个libs文件夹，其中的armeabi文件夹中就存放着生成的可执行文件或者共享库文件（.so文件）。
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Android.mk中最后一行为BUILD_EXECUTABLE时，可以生成名为test的可执行程序；
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而Android.mk中最后一行为BUILD_SHARED_LIBRARY时，可以生成名为libtest.so的共享库文件。
在DOS中，进入工程文件夹下包含Android.mk与test.c两个文件的jni目录，如图所示：
当Android.mk中最后一行为上面的 BUILD_EXECUTABLE 时，输入 ndk-build 命令：
执行命令后，在工程根目录下生成了一个libs文件夹，其中的armeabi文件夹中生成了名为test的可执行程序，如图所示：
将Android.mk中最后一行修改为 BUILD_SHARED_LIBRARY，如图所示：
再次执行ndk-build命令，生成共享库文件libtest.so如图：
在工程根目录下的libs\armeabi文件夹中生成了名为libtest.so的共享库文件，如下图所示：
将生成的可执行程序test复制到模拟器中，在命令行窗口下输入命令让其运行，如图所示：
可见成功输出了字符串“JNI Test!”。
使用Eclipse自动编译原生程序
由于C/C++代码需要用ndk-build来进行编译，而java代码需要用Android sdk编译，所以为了开发快捷，需要在每次更改完C语言代码后可以自动编译C语言为.so库。使用Eclipse自动编译原生程序的原理依旧是使用ndk-build工具，但是自动化的操作会使原生程序的开发更加高效。
①在Eclipse中配置NDK：
要想使用Eclipse自动编译原生程序，首先需要在Eclipse中对NDK进行配置。打开Eclipse，进入Eclipse窗口中，在 Window—>Prefernces—>Android—>NDK 选择NDK Location的存放路径后，点击Apply and Close，如图所示：
②Eclipse自动编译原生程序：
首先，新建一个Build，此后编写代码时，保存修改后，Eclipse会自动编译生成原生程序。
第一步，在JNI工程上右键选择Properties，点击Builders选项，再点击Builders选项页右侧的New按钮，然后双击Program项打开Edit Configuration对话框，在对话框的Name栏输入Builder的名称，这里输入“JNI_Builder”，在 Location 栏输入“F:\android-ndk-r8\ndk-build.cmd” 设置要执行的命令，点击Working Directory右侧的Browse Workspace按钮选择JNI工程，最后点击Apply按钮应用更改，操作完成后，效果如图所示：
然后，单击Refresh标签，勾选“Refresh resources upon completion”复选框，如图所示：
下一步，单击Build Options标签，勾选“During auto builds”与“Specify working set of relevant resources”复选框，点击“Specify Resources”按钮，勾选JNI工程的jni目录，点击finish按钮，点击OK按钮关闭“Edit Configuration”对话框，如图所示：
最后，点击OK按钮关闭Properties对话框，这时JNI工程就会自动编译，可以在libs\armeabi目录下生成test.c文件的可执行文件test，如图所示：
而若将Android.mk中最后一行修改为BUILD_SHARED_LIBRARY，则Eclipse则会自动将其编译为libtest.so文件，如图所示：
以后若每次在Eclipse中对jni目录下的任何文件进行修改或保存，都会触发JNI_Builder重新编译原来的工程，直接简便。
但如果是使用ndk-build手动编译工程，那么每次修改完jni目录下的文件后都要在命令行窗口下对工程进行重新手动编译，相对来说就比较麻烦。
使用IDA Pro调试Android原生程序
现在的许多App为了安全或者效率的问题，会把一些重要的功能放到native层。一般在Android中，native层使用的是so库文件。
使用NDK开发能够编译C/C++程序，最终生成so文件。而.so文件是一个二进制文件，我们是无法直接分析.so文件的，所以这里需要用到IDA Pro。IDA Pro能够对so文件进行反汇编，从而将二进制代码转化为汇编语言，利用IDA Pro的F5功能还能将汇编语言反编译成C/C++程序。
使用IDA Pro调试Android原生程序一般有远程运行与远程附加两种方式，远程运行调试用来调试原生可执行程序，远程附加调试用来调试Android原生动态链接库。
远程运行调试Android原生可执行程序
首先，需要用到前面实验编写的原生可执行程序实例test，以及IDA Pro软件目录下的android_server文件，找到后我把它们放到了一个新创建的名为tmp的文件夹中。
android_server所在路径为：
然后，进入tmp文件夹所在路径，将test与android_server两个文件复制到模拟器的data/local/tmp目录中，在DOS中执行以下命令可以对文件进行上传：
adb push test /data/local/tmp
adb push android_server /data/local/tmp
执行结果如下图所示：
之后进入终端查看上传是否成功：
如上图所示，可以看到两个文件已经上传完成。
然后，执行以下两行命令给两个文件加上可执行权限：
chmod 755 /data/local/tmp/test
chmod 755 /data/local/tmp/android_server
如图所示：
接着执行“./android_server”，以启动android_server，如下图所示：
打开另一个命令窗口，然后再看，这里监听了设备的23946端口，那么如果要想让IDA Pro和这个android_server进行通信，必须让PC端的IDA也连上这个端口，这时候就需要借助于adb命令：
adb forward tcp:远端设备端口号(进行调试程序端) tcp:本地设备端口(被调试程序端)
这里端口号均为23946，然后就可以把android_server端口转发出去了：
这时，我们只要在PC端使用IDA Pro连接23946这个端口就可以了，因为后面在使用IDA Pro进行连接的时候，IDA Pro把这个端口设置死了，就是23946，所以我们没办法自定义这个端口。
执行后，启动IDA Pro，这里要使用IDA Android 32-bit，所以在打开IDA的时候一定要是32位的IDA，不能是64位的，否则保存后就会有两个可执行程序，一个是32位，一个是64位，如果打开不正确则会报错。
点击菜单栏“Debugger->Run->Remote AmLinux/Android debugger”，打开调试程序对话框。这里看到，端口是给定的：23946，不能进行修改，所以上面的adb forward进行端口转发的时候必须是23946。这里PC本地机就是调试端，所以host就是本机的ip地址：127.0.0.1。
在Application栏输入“/data/local/tmp/test”，在Directory栏输入“/data/local/tmp”，在Hostname栏输入“localhost”或者“127.0.0.1”，如下图所示 ：
设置完成后点击OK按钮，IDA Pro就会远程执行test，并自动切换到调试界面，如下图所示：
远程附加调试Android原生动态链接库
调试Android原生动态链接库需要先安装并运行包含该动态链接库的程序，然后使用IDA Pro远程附加程序进程的方式来进行调试。
编写实例程序JavaCTest，导出为APK文件，如图所示：
将其导入到Android模拟器中，界面如图所示：
点击“Change Text”按钮后，程序会调用动态链接库libjavac.so库中的stringFromJNI()方法返回一个字符串“Java C Test!”，并且更改字符串“Hello Xidain!”为此字符串。
接下来，对libjavac.so中stringFromJNI()方法的执行过程进行动态调试。执行下面的命令启动IDA Pro的Android调试服务器：
adb shell
./android_server
命令执行成功后，Android调试服务器会监听23946端口，结果如下图所示：
打开另一个命令行窗口，输入以下命令进行端口转发。
adb forward tcp:23946 tcp:23946
启动IDA Pro，点击菜单项“Debugger→Attach→Remote ARMLinux/Android debugger”，打开调试程序的设置对话框。在Hostname栏中输入127.0.0.1，如下图所示：
然而，此时代码并没有运行在动态链接库部分，要想调试动态链接库，就得为动态链接库中的函数设置断点。将JavaCTest.apk解压，找到libjavac.so文件，开启另一个IDA实例并载入它，找到stringFromJNI() 方法的代码，如下图所示：
从上图反汇编的代码中可以看出，stringFromJNI()方法的代码起始处位于 0x00002050 处。回到IDA Pro的调试窗口，按下“Ctrl+S”快捷键打开段选择对话框，查找libjavac.so动态链接库的基地址，此处的基地址为 0x00001F3C，如下图所示：
这里的跳转地址是可以计算的，如果想要跳转到某函数，然后下断点，那么可以使用 CTRL+S 查找到.so文件的内存开始的基地址，然后再用IDA View中查看该函数对应的相对地址，相加就是绝对地址，然后跳转即可。
对于一般的基地址，只要程序没有退出，在运行中它的值就不会改变，因为在程序的数据已经加载到内存中后，基地址就不会改变，除非程序退出后又重新运行，把数据又重新加载到内存中。同时相对地址也是不会改变的，只有在修改.so文件的情况下，如果文件大小改变了，相对地址可能会改变，其他情况下不会改变，相对地址就是数据在整个.so文件中的位置。
内存地址等于基地址加上偏移地址，由此可以计算出stringFromJNI()方法的内存地址为 0x00003F8C。关闭段选择对话框，按下快捷键G，打开地址跳转对话框，在“Jump to address”栏中输入 0x00003F8C，如下图所示：
点击OK按钮，程序会跳转到 stringFromJNI() 方法所在的代码行，并自动分析方法的代码。在 0x00003F8C 行按下快捷键F2设置一个断点，被设置断点的代码行会被红色标记，如下图所示：
设置好断点后，回到程序中点击“Change Text”按钮，程序就会自动中断在 0x00003F8C 行上，接下来就可以调试动态链接库中的原生程序了。
总结IDA调试的流程
- 解压APK文件，得到对应的so文件，然后使用IDA工具打开so,找到指定的native层函数；
- 通过IDA中的一些快捷键：F5, Ctrl+S, Y 等，静态分析函数的ARM指令，大致了解函数的执行流程；
- 再次打开一个IDA来进行调试so；
①将IDA目录中的android_server拷贝到设备的指定目录下，修改android_server的运行权限，以Root身份运行android_server；
②使用adb forward进行端口转发，让远程调试端的IDA可以连接到被调试端；
③使用IDA连接转发的端口，查看设备的所有进程，找到需要调试的进程；
④通过打开so文件，找到需要调试的函数的相对地址，然后在调试页面使用 Ctrl+S 找到so文件的基地址，相加之后得到绝对地址，使用 G 键，跳转到函数的地址处，下好断点，点击运行；
⑤触发native层的函数，并使用 F8 和 F7 进行单步调试，查看关键寄存器的值，例如函数的参数或者函数的返回值等信息。
一些问题及解决方法
1.问题：
一开始，我在运行IDA Pro的Android服务器时，DOS命令下总是提示：not executable：magic 7F45，如图所示：
最初我以为是执行权限的问题。然而在修改权限后，依旧不能运行。把文件清空后，重新安装，还是不能奏效。
在查找了相关资料、反复调试后，我终于找到了出错原因：
因为我在Android.mk中使用的是arm的ABI，而我的Android模拟器却使用的是x86的内核，当然不能正常运行。
所以需要安装对应ABI为arm的虚拟机才可以。
2.解决方法：
在AVDM中，安装一个ABI为 arm 的Android模拟器，如下图所示：
安装好的新设备如图所示：
Android模拟器安装好后，进行验证如下：
到此，可以看到Android服务器已经打开了 23946 端口，并进行监听，说明安装成功。