APK反破解之四：Android代码动态加载技术
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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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