Dex文件头及解析机制分析
Dex文件头主要包括校验和以及其他结构的偏移地址和长度信息。
| 字段名称 | 偏移值 | 长度 | 描述 |
|---|---|---|---|
| magic | 0x0 | 8 | 'Magic'值，即魔数字段，格式如”dex/n035/0”，其中的035表示结构的版本。 |
| checksum | 0x8 | 4 | 校验码。 |
| signature | 0xC | 20 | SHA-1签名。 |
| file_size | 0x20 | 4 | Dex文件的总长度。 |
| header_size | 0x24 | 4 | 文件头长度，009版本=0x5C,035版本=0x70。 |
| endian_tag | 0x28 | 4 | 标识字节顺序的常量,根据这个常量可以判断文件是否交换了字节顺序,缺省情况下=0x78563412。 |
| link_size | 0x2C | 4 | 连接段的大小，如果为0就表示是静态连接。 |
| link_off | 0x30 | 4 | 连接段的开始位置，从本文件头开始算起。如果连接段的大小为0，这里也是0。 |
| map_off | 0x34 | 4 | map数据基地址。 |
| string_ids_size | 0x38 | 4 | 字符串列表的字符串个数。 |
| string_ids_off | 0x3C | 4 | 字符串列表表基地址。 |
| type_ids_size | 0x40 | 4 | 类型列表里类型个数。 |
| type_ids_off | 0x44 | 4 | 类型列表基地址。 |
| proto_ids_size | 0x48 | 4 | 原型列表里原型个数。 |
| proto_ids_off | 0x4C | 4 | 原型列表基地址。 |
| field_ids_size | 0x50 | 4 | 字段列表里字段个数。 |
| field_ids_off | 0x54 | 4 | 字段列表基地址。 |
| method_ids_size | 0x58 | 4 | 方法列表里方法个数。 |
| method_ids_off | 0x5C | 4 | 方法列表基地址。 |
| class_defs_size | 0x60 | 4 | 类定义类表中类的个数。 |
| class_defs_off | 0x64 | 4 | 类定义列表基地址。 |
| data_size | 0x68 | 4 | 数据段的大小，必须以4字节对齐。 |
| data_off | 0x6C | 4 | 数据段基地址 |
魔数字段
魔数字段，主要就是Dex文件的标识符，它占用4个字节，在目前的源码里是 “dex\n”，它的作用主要是用来标识dex文件的，比如有一个文件也以dex为后缀名，仅此并不会被认为是Davlik虚拟机运行的文件，还要判断这 四个字节。另外Davlik虚拟机也有优化的Dex，也是通过个字段来区分的，当它是优化的Dex文件时，它的值就变成”dey\n”了。根据这四个字 节，就可以识别不同类型的Dex文件了。
跟在“dex\n”后面的是版本字段，主要用来标识Dex文件的版本。目前支持的版本号为“035\0”，不管是否优化的版本，都是使用这个版本号。
主要用来检查从这个字段开始到文件结尾，这段数据是否完整，有没有人修改过，或者传送过程中是否有出错等等。通常用来检查数据是否完整的算法，有 CRC32、有SHA128等，但这里采用并不是这两类，而采用一个比较特别的算法，叫做adler32，这是在开源zlib里常用的算法，用来检查文件 是否完整性。该算法由MarkAdler发明，其可靠程度跟CRC32差不多，不过还是弱一点点，但它有一个很好的优点，就是使用软件来计算检验码时比较 CRC32要快很多。可见Android系统，就算法上就已经为移动设备进行优化了。
Java中可使用java.util.zip.Adler32类做校验操作
SHA-1签名字段
dex文件头里，前面已经有了面有一个4字节的检验字段码了，为什么还会有SHA-1签名字段呢？不是重复了吗？可是仔细考虑一下，这样设计自有道理。因 为dex文件一般都不是很小，简单的应用程序都有几十K，这么多数据使用一个4字节的检验码，重复的机率还是有的，也就是说当文件里的数据修改了，还是很 有可能检验不出来的。这时检验码就失去了作用，需要使用更加强大的检验码，这就是SHA-1。SHA-1校验码有20个字节，比前面的检验码多了16个字 节，几乎不会不同的文件计算出来的检验是一样的。设计两个检验码的目的，就是先使用第一个检验码进行快速检查，这样可以先把简单出错的dex文件丢掉了， 接着再使用第二个复杂的检验码进行复杂计算，验证文件是否完整，这样确保执行的文件完整和安全。
SHA（Secure Hash Algorithm, 安全散列算法）是美国国家安全局设计，美国国家标准与技术研究院发布的一系列密码散列函数。SHA-1看起来和MD5算法很像，也许是Ron Rivest在SHA-1的设计中起了一定的作用。SHA-1的内部比MD5更强，其摘要比MD5的16字节长4个字节，这个算法成功经受了密码分析专家 的攻击，也因而受到密码学界的广泛推崇。这个算法在目前网络上的签名，BT软件里就有大量使用，比如在BT里要计算是否同一个种子时，就是利用文件的签名 来判断的。同一份8G的电影从几千BT用户那里下载，也不会出现错误的数据，导致电影不播放。
map_off字段
这个字段主要保存map开始位置，就是从文件头开始到map数据的长度，通过这个索引就可以找到map数据。map的数据结构如下：
| 名称 | 大小 | 说明 |
|---|---|---|
| size | 4字节 | map里项的个数 |
| list | 变长 | 每一项定义为12字节，项的个数由上面项大小决定。 |
map数据排列结构定义如下：
<span class="coMULTI" style="line-height:20px">/*
*Direct-mapped "map_list".
*/</span>
<span class="kw4" style="line-height:20px">typedef</span> <span class="kw4" style="line-height:20px">struct</span> DexMapList <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
u4 size<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span> <span class="coMULTI" style="line-height:20px">/* #of entries inlist */</span>
DexMapItem list<span class="br0" style="line-height:20px">[</span><span class="nu0" style="line-height:20px">1</span><span class="br0" style="line-height:20px">]</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span> <span class="coMULTI" style="line-height:20px">/* entries */</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>DexMapList<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
每一个map项的结构定义如下：
<span class="coMULTI" style="line-height:20px">/*
*Direct-mapped "map_item".
*/</span>
<span class="kw4" style="line-height:20px">typedef</span> <span class="kw4" style="line-height:20px">struct</span> DexMapItem <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
u2 type<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span> <span class="coMULTI" style="line-height:20px">/* type code (seekDexType* above) */</span>
u2 unused<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
u4 size<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span> <span class="coMULTI" style="line-height:20px">/* count of items ofthe indicated type */</span>
u4 offset<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span> <span class="coMULTI" style="line-height:20px">/* file offset tothe start of data */</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>DexMapItem<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
DexMapItem结构定义每一项的数据意义：类型、类型个数、类型开始位置。
其中的类型定义如下：
<span class="coMULTI" style="line-height:20px">/*map item type codes */</span>
<span class="kw2" style="line-height:20px">enum</span><span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
kDexTypeHeaderItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x0000</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeStringIdItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x0001</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeTypeIdItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x0002</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeProtoIdItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x0003</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeFieldIdItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x0004</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeMethodIdItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x0005</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeClassDefItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x0006</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeMapList <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x1000</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeTypeList <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x1001</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeAnnotationSetRefList <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x1002</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeAnnotationSetItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x1003</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeClassDataItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x2000</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeCodeItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x2001</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeStringDataItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x2002</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeDebugInfoItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x2003</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeAnnotationItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x2004</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeEncodedArrayItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x2005</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
kDexTypeAnnotationsDirectoryItem <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x2006</span><span class="sy0" style="line-height:20px">,</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
从上面的类型可知，它包括了在dex文件里可能出现的所有类型。可以看出这里的类型与文件头里定义的类型有很多是一样的，这里的类型其实就是文件头里定义 的类型。其实这个map的数据，就是头里类型的重复，完全是为了检验作用而存在的。当Android系统加载dex文件时，如果比较文件头类型个数与 map里类型不一致时，就会停止使用这个dex文件
string_ids_size/off字段
这两个字段主要用来标识字符串资源。源程序编译后，程序里用到的字符串都保存在这个数据段里，以便解释执行这个dex文件使用。其中包括调用库函数里的类名称描述，用于输出显示的字符串等。
string_ids_size标识了有多少个字符串，string_ids_off标识字符串数据区的开始位置。字符串的存储结构如下：
<span class="coMULTI" style="line-height:20px">/*
* Direct-mapped "string_id_item".
*/</span>
<span class="kw4" style="line-height:20px">typedef</span> <span class="kw4" style="line-height:20px">struct</span> DexStringId <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
u4 stringDataOff<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span> <span class="coMULTI" style="line-height:20px">/* file offset to string_data_item */</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span> DexStringId<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
可以看出这个数据区保存的只是字符串表的地址索引。如果要找到字符串的实际数据，还需要通过个地址索引找到文件的相应开始位置，然后才能得到字符串数据。 每一个字符串项的索引占用4个字节，因此这个数据区的大小就为4*string_ids_size。实际数据区中的字符串采用UTF8格式保存。
例如,如果dex文件使用16进制显示出来内容如下：
063c 696e 6974 3e00
其实际数据则是”<init>\0”
另外这段数据中不仅包括字符串的字符串的内容和结束标志，在最开头的位置还标明了字符串的长度。上例中第一个字节06就是表示这个字符串有6个字符。
关于字符串的长度有两点需要注意的地方：
1、关于长度的编码格式
dex文件里采用了变长方式表示字符串长度。一个字符串的长度可能是一个字节（小于256）或者4个字节（1G大小以上）。字符串的长度大多数都是小于 256个字节，因此需要使用一种编码，既可以表示一个字节的长度，也可以表示4个字节的长度，并且1个字节的长度占绝大多数。能满足这种表示的编码方式有 很多，但dex文件里采用的是uleb128方式。leb128编码是一种变长编码，每个字节采用７位来表达原来的数据，最高位用来表示是否有后继字节。
它的编码算法如下：
<span class="coMULTI" style="line-height:20px">/*
* Writes a 32-bit value in unsigned ULEB128 format.
* Returns the updated pointer.
*/</span>
DEX_INLINE u1<span class="sy0" style="line-height:20px">*</span> writeUnsignedLeb128<span class="br0" style="line-height:20px">(</span>u1<span class="sy0" style="line-height:20px">*</span> ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">,</span> u4 data<span class="br0" style="line-height:20px">)</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">while</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span><span class="kw2" style="line-height:20px">true</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
u1 out <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> data <span class="sy0" style="line-height:20px">&</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">if</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>out <span class="sy0" style="line-height:20px">!=</span> data<span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
<span class="sy0" style="line-height:20px">*</span>ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">++</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> out <span class="sy0" style="line-height:20px">|</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x80</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
data <span class="sy0" style="line-height:20px">>>=</span> <span class="nu0" style="line-height:20px">7</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span> <span class="kw1" style="line-height:20px">else</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
<span class="sy0" style="line-height:20px">*</span>ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">++</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> out<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw2" style="line-height:20px">break</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">return</span> ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
它的解码算法如下：
<span class="coMULTI" style="line-height:20px">/*
* Reads an unsigned LEB128 value, updating the given pointer to point
* just past the end of the read value. This function tolerates
* non-zero high-order bits in the fifth encoded byte.
*/</span>
DEX_INLINE <span class="kw4" style="line-height:20px">int</span> readUnsignedLeb128<span class="br0" style="line-height:20px">(</span><span class="kw4" style="line-height:20px">const</span> u1<span class="sy0" style="line-height:20px">**</span> pStream<span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
<span class="kw4" style="line-height:20px">const</span> u1<span class="sy0" style="line-height:20px">*</span> ptr <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">*</span>pStream<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw4" style="line-height:20px">int</span> result <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">*</span><span class="br0" style="line-height:20px">(</span>ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">++</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">if</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>result <span class="sy0" style="line-height:20px">></span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
<span class="kw4" style="line-height:20px">int</span> cur <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">*</span><span class="br0" style="line-height:20px">(</span>ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">++</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
result <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>result <span class="sy0" style="line-height:20px">&</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">|</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span><span class="br0" style="line-height:20px">(</span>cur <span class="sy0" style="line-height:20px">&</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="sy0" style="line-height:20px"><<</span> <span class="nu0" style="line-height:20px">7</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">if</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>cur <span class="sy0" style="line-height:20px">></span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
cur <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">*</span><span class="br0" style="line-height:20px">(</span>ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">++</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
result <span class="sy0" style="line-height:20px">|=</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>cur <span class="sy0" style="line-height:20px">&</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="sy0" style="line-height:20px"><<</span> <span class="nu0" style="line-height:20px">14</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">if</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>cur <span class="sy0" style="line-height:20px">></span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
cur <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">*</span><span class="br0" style="line-height:20px">(</span>ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">++</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
result <span class="sy0" style="line-height:20px">|=</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>cur <span class="sy0" style="line-height:20px">&</span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="sy0" style="line-height:20px"><<</span> <span class="nu0" style="line-height:20px">21</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">if</span> <span class="br0" style="line-height:20px">(</span>cur <span class="sy0" style="line-height:20px">></span> <span class="nu12" style="line-height:20px">0x7f</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span> <span class="br0" style="line-height:20px">{</span>
<span class="coMULTI" style="line-height:20px">/*
* Note: We don't check to see if cur is out of
* range here, meaning we tolerate garbage in the
* high four-order bits.
*/</span>
cur <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> <span class="sy0" style="line-height:20px">*</span><span class="br0" style="line-height:20px">(</span>ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">++</span><span class="br0" style="line-height:20px">)</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
result <span class="sy0" style="line-height:20px">|=</span> cur <span class="sy0" style="line-height:20px"><<</span> <span class="nu0" style="line-height:20px">28</span><span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
<span class="sy0" style="line-height:20px">*</span>pStream <span class="sy0" style="line-height:20px">=</span> ptr<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="kw1" style="line-height:20px">return</span> result<span class="sy0" style="line-height:20px">;</span>
<span class="br0" style="line-height:20px">}</span>
根据上面的算法分析上面例子字符串，取得第一个字节是06，最高位为0，因此没有后继字节，那么取出这个字节里7位有效数据，就是6，也就是说这个字符串是6个字节，但不包括结束字符“\0”。
2、关于长度的意义
由于字符串内容采用的是UTF-8格式编码，表示一个字符的字节数是不定的。即有时是一个字节表示一个字符，有时是两个、三个甚至四个字节表示一个字符。 而这里的长度代表的并不是整个字符串所占用的字节数，表示这个字符串包含的字符个数。所以在读取时需要注意，尤其是在包含中文字符时，往往会因为读取的长 度不正确导致字符串被截断。