IO实战一:Apk加解密

背景

为什么要进行apk加密?答案是避免apk被有心人反编译,窃取公司重要技术和算法等。但是要给Apk加密要如何实现呢?首先我们需要知道Android整个Apk的打包流程,然后将加密的环节插入要其中的步骤中,加密完成后apk安装后要如何解密,这时候我们又要了解应用安装时apk是如何被加载运行。这一系列的问题都需要我们除了掌握IO知识外还要掌握如:类加载、热修复、反射、hook等知识。这里我们将借这个实战来检验学习效果。

一、Android的Apk打包流程

我们先来看看官方给的apk打包流程图

IO实战一:Apk加解密_第1张图片

还是看不懂,那我们这样一步步解析来看呢?

IO实战一:Apk加解密_第2张图片

 

整个apk打包流程被分成了如下七步:

  • 1、打包资源文件,生成R.java文件

打包资源的工具是aapt(The Android Asset Packaing Tool),位于android-sdk/platform-tools目录下。在这个过程中,项目中的AndroidManifest.xml文件和布局文件XML都会编译,然后生成相应的R.java。

  • 2、处理aidl文件,生成相应的Java文件

这一过程中使用到的工具是aidl(Android Interface Definition Language),即Android接口描述语言。位于android-sdk/platform-tools目录下。aidl工具解析接口定义文件然后生成相应的Java代码接口供程序调用。如果在项目没有使用到aidl文件,则可以跳过这一步。

  • 3、编译项目源代码,生成class文件

项目中所有的Java代码,包括R.java和.aidl文件,都会变Java编译器(javac)编译成.class文件,生成的class文件位于工程中的bin/classes目录下。

  • 4、转换所有的class文件,生成classes.dex文件

dx工具生成可供Android系统Dalvik虚拟机执行的classes.dex文件,该工具位于android-sdk/platform-tools 目录下。

任何第三方的libraries和.class文件都会被转换成.dex文件。dx工具的主要工作是将Java字节码转成成Dalvik字节码、压缩常量池、消除冗余信息等。

  • 5、打包生成APK文件

所有没有编译的资源(如images等)、编译过的资源和.dex文件都会被apkbuilder工具打包到最终的.apk文件中。

打包的工具apkbuilder位于 android-sdk/tools目录下。apkbuilder为一个脚本文件,实际调用的是android-sdk/tools/lib/sdklib.jar文件中的com.android.sdklib.build.ApkbuilderMain类。

  • 6、对APK文件进行签名

一旦APK文件生成,它必须被签名才能被安装在设备上。

在开发过程中,主要用到的就是两种签名的keystore。一种是用于调试的debug.keystore,它主要用于调试,在Eclipse或者Android Studio中直接run以后跑在手机上的就是使用的debug.keystore。另一种就是用于发布正式版本的keystore。

  • 7、对签名后的APK文件进行对齐处理

如果你发布的apk是正式版的话,就必须对APK进行对齐处理,用到的工具是zipalign,它位于android-sdk/tools目录下。

对齐的主要过程是将APK包中所有的资源文件距离文件起始偏移为4字节整数倍,这样通过内存映射访问apk文件时的速度会更快。对齐的作用就是减少运行时内存的使用。

二、加密和解密方案

既然我们已经弄清了apk是如何打包的,那么将加密流程加到整个打包流程就相对清晰了。如下图

IO实战一:Apk加解密_第3张图片

 什么?还是不懂呢?那来看看我们整个加密和解密方案呢?

IO实战一:Apk加解密_第4张图片

 我们的思路如下:

  1. 既然我们要加密,那么必然有解密,但是这个解密又必然是整个应用的一部分,但是连这部分都加密的话,那么系统就完全无法解析我们的应用,也就是完全无法安装了。所以我们需要将解密的部分提取出来单独作为一个module,且这个module是不能够被加密的。然后最好的解密时机就是首次启动应用的时候进行,所以Application自然成了我们负责解密的首选。那么是否意味着原apk中不能有这个module呢?答案是:错啦。原apk中同样要将这个解密module打包进去,否则原apk也无法编译通过啊。
  2. 我们都知道,系统在加载类的时候都是从我们apk的dex文件中加载的。ClassLoader会去维护一个这样的dex文件数组(这个在前面的热修复章节有介绍过)。而我们要做的就是将原apk中的dex都加密,然后将解密部分的代码单独编程成dex文件(我们称这样的dex为壳dex)连带着加密的dex一起加到新apk中。这样新apk安装后系统就能够找到我们应用启动的入口Application了,不至于由于加密导致系统找不到应用程序入口。而在这个程序入口中我们要做的就是解密被加密的dex文件,然后重新插入到ClassLoader维护的dex文件数组中(这里就涉及到大量的反射知识)。

三、加密实现

方案说了那么多,到底如何实现呢?实现后到底能不能像我们说的那样正常安装运行呢?撸代码来验证!

先来看看我们加密工程未运行前的结构图

IO实战一:Apk加解密_第5张图片

 再来看看工程运行后,工程结构的变化

IO实战一:Apk加解密_第6张图片

 可以看到运行后原apk被加密和解密模块被放到一起重新打包成了新的apk。这个过程代码如何实现呢?

1、既然要加密,必然要选择加密方式,初始化加密算法

    //这里我们选择已封装好的Cipher加密。
    public static final String DEFAULT_PWD = "abcdefghijklmnop";//加密和解密的key要一致,所以解密模块的key也要是同样的。
    private static final String algorithmStr = "AES/ECB/PKCS5Padding";
    private static Cipher encryptCipher;//用来的加密的Cipher实例
    private static Cipher decryptCipher;//用来解密的Cipher实例
    /**
     *  初始化加密算法
     * @param password  这里的password对应DEFAULT_PWD
     */
    public static void init(String password) {
        try {
        	// 生成一个实现指定转换的 Cipher 对象。
            encryptCipher = Cipher.getInstance(algorithmStr);
            decryptCipher = Cipher.getInstance(algorithmStr);// algorithmStr
            byte[] keyStr = password.getBytes();
            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(keyStr, "AES");
            encryptCipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
            decryptCipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

2、加密之前我们需要先创建两个目录用来存放原apk和解密模块压缩出来的源文件

                /**
		 	 * 分别在apk和aar目录下生成两个temp目录用来存放加密的未打包的apk文件
		 	 */
		 	File apkTemp = new File("source/apk/temp");
		 	if(apkTemp.exists()) {
		 		File[] files = apkTemp.listFiles();
		 		for(File file:files) {
		 			if(file.exists()) {
		 				file.delete();
		 			}
		 		}
		 	}
		 	File aarTemp = new File("source/aar/temp");
		 	if(aarTemp.exists()) {
		 		File[] files = aarTemp.listFiles();
		 		for(File file:files) {
		 			if(file.exists()) {
		 				file.delete();
		 			}
		 		}
		 	}

3、解压原apk,并加密原apk中的dex文件。

        /**    
		  * 解压原apk文件到apk/temp目录下,并加密dex文件
		  */
		 File sourceApk = new File("source/apk/app-debug.apk");
	        File newApkDir = new File(sourceApk.getParent() + File.separator + "temp");
	        if(!newApkDir.exists()) {
	        	newApkDir.mkdirs();
	        }
	      //解压原apk,加密dex
	        AESUtil.encryptAPKFile(sourceApk,newApkDir);
	        if (newApkDir.isDirectory()) {
				File[] listFiles = newApkDir.listFiles();
				for (File file : listFiles) {
					if (file.isFile()) {
						//修改classes.dex名为classes_.dex,避免等会与aar中的classes.dex重名
						if (file.getName().endsWith(".dex")) {
							String name = file.getName();
							int cursor = name.indexOf(".dex");
							String newName = file.getParent()+ File.separator + 
									name.substring(0, cursor) + "_" + ".dex";
							file.renameTo(new File(newName));
						}
					}
				}
			}

 什么?没看到解压和加密的核心代码?传送门在这里,自己去看。

4、解压aar文件,并生成壳dex

先解压aar文件,再利用dx工具将解压出来的classes.jar文件转换成壳dex,并拷贝到新apk的源目录下

            /**
	         * 解压aar文件(不能进行加密的部分),再利用dx将jar转换成dex,并将dex文件拷贝到apk/temp中来
	         */
	        File aarFile = new File("source/aar/mylibrary-debug.aar");
	    	 File sourceAarDex = null;
	    	try {
            //解压aar文件,并通过dx工具将jar文件转换成dex文件
	    		sourceAarDex  = DxUtil.jar2Dex(aarFile);
	    	}catch(Exception e){
	    		e.printStackTrace();
	    	}

	        File copyAarDex = new File(newApkDir.getPath() + File.separator + "classes.dex");
	        if (!copyAarDex.exists()) {
	        	copyAarDex.createNewFile();
		}
	        //拷贝aar/temp中的classes.dex到apk/temp中
	        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(copyAarDex);
	        byte[] fbytes = ByteUtil.getBytes(sourceAarDex);
	        fos.write(fbytes);
	        fos.flush();
	        fos.close();

 想看如何通过dx工具将jar转换成dex的核心代码?

 public static void dxCommand(File aarDex, File classes_jar) throws IOException, InterruptedException {
	        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
	        //这里需要注意,commond中dx需要配置环境变量后才可以这样写,否则需要指定dx.bat的绝对路径
	        String commond = "cmd.exe /C dx --dex --output=" + aarDex.getAbsolutePath() + " " +classes_jar.getAbsolutePath();
	        Process process = runtime.exec(commond);
	        System.out.println("runtime  dxCommand");
	         process.waitFor();
	         System.out.println("waitFor  dxCommand");
	        } catch (InterruptedException e) {
	           System.out.println("InterruptedException  dxCommand");
	            e.printStackTrace();
	            throw e;
	        }
	        if (process.exitValue() != 0) {
	        	 System.out.println("getErrorStream  dxCommand");
	        	InputStream inputStream = process.getErrorStream();
	        	int len;
	        	byte[] buffer = new byte[2048];
	        	ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
	        	while((len=inputStream.read(buffer)) != -1){
	        		bos.write(buffer,0,len);
	        	}
                    //输出出错信息
	        	System.out.println(new String(bos.toByteArray(),"GBK"));
	            throw new RuntimeException("dx run failed");
	        }
	        process.destroy();
	    }

 5、一切就绪,打包apk/temp目录生成新的未签名apk文件

 File unsignedApk = new File("result/apk-unsigned.apk");
 unsignedApk.getParentFile().mkdirs();
 ZipUtil.zip(newApkDir, unsignedApk);

 6、给加密后组合压缩成的新apk文件重新签名

File signedApk = new File("result/apk-signed.apk");
SignatureUtil.signature(unsignedApk, signedApk);

 我们继续看看这个签名是个什么黑科技:

/**
	 * 为加密后的apk文件添加签名
	 * @param unsignedApk
	 * @param signedApk
	 * @throws InterruptedException
	 * @throws IOException
	 */
	   public static void signature(File unsignedApk, File signedApk) throws InterruptedException, IOException {
	        String cmd[] = {"cmd.exe", "/C","jarsigner",  "-sigalg", "MD5withRSA",
	                "-digestalg", "SHA1",
	                "-keystore", "C:/Users/cizongfa/.android/debug.keystore",
	                "-storepass", "android",
	                "-keypass", "android",
	                "-signedjar", signedApk.getAbsolutePath(),
	                unsignedApk.getAbsolutePath(),
	                "androiddebugkey"};
	        Process process = Runtime.getRuntime().exec(cmd);
	        System.out.println("start sign");
	        try {
	            int waitResult = process.waitFor();
	            System.out.println("waitResult: " + waitResult);
	        } catch (InterruptedException e) {
	            e.printStackTrace();
	            throw e;
	        }
	        System.out.println("process.exitValue() " + process.exitValue() );
	        if (process.exitValue() != 0) {
	        	InputStream inputStream = process.getErrorStream();
	        	int len;
	        	byte[] buffer = new byte[2048];
	        	ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
	        	while((len=inputStream.read(buffer)) != -1){
	        		bos.write(buffer,0,len);
	        	}
	        	System.out.println(new String(bos.toByteArray(),"GBK"));
	            throw new RuntimeException("签名执行失败");
	        }
	        System.out.println("finish signed");
	        process.destroy();
	    }

 什么?完全不了解这个签名的机制和这个签名命令的意思?传送门送给你。还想要源码研究研究?再送给你整个项目。

四、解密实现

要完成解密,我们需要做如下几件事

  • 找到合适的解密时机
  • 壳dex并没有被加密,需要排除在解密的dex文件之外
  • 解密后的dex文件需要重新插入到ClassLoader中(热修复思想的应用)。
  • 解密后应用是否能够正常运行?

1、解密时机

作为一个被加密的应用,安装的时候我们应用本身是无法控制。所以应用第一次启动的时候就成了我们最佳的解密时机了。

所以我们将解密的逻辑放到Application的attachBaseContext()方法中。

IO实战一:Apk加解密_第7张图片

 2、解压apk、脱壳并解密被加密的核心dex

 /**
     * 解压并解密dex
     * @param apkFile  被加密的apk文件
     * @param newAppDir 存放解压和解密后的apk源文件目录
     */
    private void unZipAndAecryptDex(File apkFile,File newAppDir){
        if (!newAppDir.exists()) {
            //解压apk到指定目录
            ZipUtil.unZip(apkFile, newAppDir);
            File[] files = newAppDir.listFiles();
            for (File file : files) {
                String name = file.getName();
                /**
                 * 是否还记得我们在加密的时候将不能加密的壳dex命名为classes.dex并拷贝到新apk中打包生成新的apk呢?
                 * 所以这里我们做脱壳,壳dex不需要进行解密操作。因为它根本就没有被加密。
                 */
                if (name.equals("classes.dex")) {

                } else if (name.endsWith(".dex")) {
                    /**
                     * 对被加密的核心dex进行解密,对应加密流程中的classes_.dex
                     */
                    try {
                        byte[] bytes = getBytes(file);
                        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
                        byte[] decrypt = AESUtil.decrypt(bytes);
                        fos.write(decrypt);
                        fos.flush();
                        fos.close();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

3、将解密后的dex文件重新插入ClassLoader,实现热修复

private static void install(ClassLoader loader, List additionalClassPathEntries,
                            File optimizedDirectory) throws IllegalArgumentException,
        IllegalAccessException, NoSuchFieldException, InvocationTargetException,
        NoSuchMethodException {
    /**
     * 通过反射找到BaseDexClassLoader中的pathList属性,
     * 这是一个ClassLoader中存放Dex文件列表的DexPathList变量,
     * 其内部维护着一个dex文件数组。ClassLoader加载类的时候就会从这dex数组中去查找。
     * 具体逻辑请查看源码http://androidxref.com/8.0.0_r4/xref/libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java
     * 而我们要做的就是将解密出来的dex重新插入到这个数组里面。这个在前将类加载和热修复的时候已经有提到过。所以看源码是每个程序员必须具备的技能。
     */
    Field pathListField = findField(loader, "pathList");
    Object dexPathList = pathListField.get(loader);
    ArrayList suppressedExceptions = new ArrayList();
    Log.d(TAG, "Build.VERSION.SDK_INT " + Build.VERSION.SDK_INT);
    /**
     * 这里需要区分一下版本区别。每个版本的Android源码都有相应的改变,
     * 这就需要我们在做这些功能的时候不得不去考虑各个版本的适配。这也是Android开发让人头疼的地方。
     */
    if (Build.VERSION.SDK_INT >= 23) {
        //将解密后的dex文件插入到DexPathList的dexElements数组中。
        expandFieldArray(dexPathList, "dexElements", makePathElements(dexPathList, new
                        ArrayList(additionalClassPathEntries), optimizedDirectory,
                suppressedExceptions));
    } else {
        expandFieldArray(dexPathList, "dexElements", makeDexElements(dexPathList, new
                        ArrayList(additionalClassPathEntries), optimizedDirectory,
                suppressedExceptions));
    }

    if (suppressedExceptions.size() > 0) {
        Iterator suppressedExceptionsField = suppressedExceptions.iterator();

        while (suppressedExceptionsField.hasNext()) {
            IOException dexElementsSuppressedExceptions = (IOException)
                    suppressedExceptionsField.next();
            Log.w("MultiDex", "Exception in makeDexElement",
                    dexElementsSuppressedExceptions);
        }

        Field suppressedExceptionsField1 = findField(loader,
                "dexElementsSuppressedExceptions");
        IOException[] dexElementsSuppressedExceptions1 = (IOException[]) ((IOException[])
                suppressedExceptionsField1.get(loader));
        if (dexElementsSuppressedExceptions1 == null) {
            dexElementsSuppressedExceptions1 = (IOException[]) suppressedExceptions
                    .toArray(new IOException[suppressedExceptions.size()]);
        } else {
            IOException[] combined = new IOException[suppressedExceptions.size() +
                    dexElementsSuppressedExceptions1.length];
            suppressedExceptions.toArray(combined);
            System.arraycopy(dexElementsSuppressedExceptions1, 0, combined,
                    suppressedExceptions.size(), dexElementsSuppressedExceptions1.length);
            dexElementsSuppressedExceptions1 = combined;
        }

        suppressedExceptionsField1.set(loader, dexElementsSuppressedExceptions1);
    }
}

  /**
     * 创建我们自己的dex文件数组,可查看源码中的makeDexElements方法
     * 附上源码链接http://androidxref.com/8.0.0_r4/xref/libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
     * @param dexPathList
     * @param files
     * @param optimizedDirectory
     * @param suppressedExceptions
     * @return
     * @throws IllegalAccessException
     * @throws InvocationTargetException
     * @throws NoSuchMethodException
     */
    private static Object[] makeDexElements(Object dexPathList,
                                            ArrayList files, File
                                                    optimizedDirectory,
                                            ArrayList suppressedExceptions) throws
            IllegalAccessException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException {

            Method makeDexElements = findMethod(dexPathList, "makeDexElements", new
                    Class[]{ArrayList.class, File.class, ArrayList.class});
            return ((Object[]) makeDexElements.invoke(dexPathList, new Object[]{files,
                    optimizedDirectory, suppressedExceptions}));
       }
}

 4、检验实战成果

 

 

5、附上项目地址 

到底能不能做到,还是要附上真实代码,拉出来遛一遛才能确定,传送门走你。

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