Android Dex檔案格式解析
Dex檔案是Android虛擬機器下的可執行檔案,包含了應用程式所用到所有操作指令和執行時資料。在程式編譯過程中,java原始檔先被編譯成class檔案,然後通過dx工具將多個class檔案整合為一個dex檔案。這樣的檔案結構使得各個類能夠共享資料,充分減少了儲存空間,提升了執行效率。
Java原始檔生成Dex檔案的對映關係。
dex檔案的結構如下圖:
我們可以在android原始碼中的/dalvik/libdex/DexFile.h找到關於dexfile的定義。
Andre
這裡定義的DexFile是dex檔案被對映到記憶體中的結構,出了基本的dex檔案結構外,還包含了DexOptHead和尾部附加的資料,這些資料是Android系統為了結合當前平臺特性對dex檔案的結構進行了優化和擴充,是執行效率更高。
/* * Structure representing a DEX file. * * Code should regard DexFile as opaque, using the API calls provided here * to access specific structures. */ typedef struct DexFile { /* directly-mapped "opt" header */ const DexOptHeader* pOptHeader; /* pointers to directly-mapped structs and arrays in base DEX */ const DexHeader* pHeader; const DexStringId* pStringIds; const DexTypeId* pTypeIds; const DexFieldId* pFieldIds; const DexMethodId* pMethodIds; const DexProtoId* pProtoIds; const DexClassDef* pClassDefs; const DexLink* pLinkData; /* mapped in "auxillary" section */ const DexClassLookup* pClassLookup; /* points to start of DEX file data */ const u1* baseAddr; /* track memory overhead for auxillary structures */ int overhead; /* additional app-specific data structures associated with the DEX */ void* auxData; } DexFile;
名稱 | 格式 | 描述 |
---|---|---|
header | header_item | 檔案頭。 |
string_ids | string_id_item[] | 字串索引表,記錄了各個字元所在的偏移值,使用UTF-16編碼。 |
type_ids | type_id_item[] | 型別資料索引,記錄了各個型別的字串索引。 |
proto_id | proto_id_item[] | 函式原型資料索引,記錄了方法宣告的字串,返回型別和引數列表。 |
field_ids | field_id_item[] | 欄位資料索引,記錄了所屬類,宣告型別和方法名等資訊。 |
method_ids | method_id_item[] |
類方法索引,記錄了方法所屬類,宣告型別以及方法名等資訊。 |
class_defs | class_def_item[] | 類定義資料,記錄了指定類的各類資訊,包括介面,超類,類資料偏移量等。 |
data | type_id_item[] | 型別資料索引,記錄了各個型別的字串索引。 |
type_ids | ubyte[] | 資料區,儲存著各個類的資料。 |
link_data | ubyte[] | 靜態連線數據。 |
Header
header是dex檔案的檔案頭,簡單的記錄了dex檔案的一些基本資訊和大致的資料分佈。header的大小固定為0x70,其中每一項資訊所佔用的大小也是固定的。同樣在/dalvik/libdex/DexFile.h可以看到header_item的定義:
/*
* Direct-mapped "header_item" struct.
*/
typedef struct DexHeader {
u1 magic[8]; /* includes version number */
u4 checksum; /* adler32 checksum */
u1 signature[kSHA1DigestLen]; /* SHA-1 hash */
u4 fileSize; /* length of entire file */
u4 headerSize; /* offset to start of next section */
u4 endianTag; /*位元組序標號*/
u4 linkSize;
u4 linkOff;
u4 mapOff;
u4 stringIdsSize;
u4 stringIdsOff;
u4 typeIdsSize;
u4 typeIdsOff;
u4 protoIdsSize;
u4 protoIdsOff;
u4 fieldIdsSize;
u4 fieldIdsOff;
u4 methodIdsSize;
u4 methodIdsOff;
u4 classDefsSize;
u4 classDefsOff;
u4 dataSize;
u4 dataOff;
} DexHeader;
下表是每一項的基本資訊:
名稱 | 格式 | 描述 |
---|---|---|
magic | ubyte[4] | dex\n |
version | Ubyte[4] | 035\0 或 036\0 |
checksum | uint | 使用zlib 的adler32 所計算的32-bitsCheckSum . 計算的範圍為DEX 檔案的長度(Header->fileSize) 減去8bytes Magic Code 與4bytes CheckSum 的範圍. 用來確保DEX 檔案內容沒有損毀. |
signature | ubyte[20] | SHA-1signature (hash) 用來識別原本的DEX 檔案( 被優化以前的DEX).SHA-1 計算的範圍為DEX 檔案的長度(Header->fileSize) 減去8bytes Magic Code,4 bytes CheckSum 與20bytesSHA-1 的範圍. 用來識別最原本的DEX 檔案的唯一性.( 所以被優化過後, 這個SHA-1 盡能用來識別原本的DEX 檔案, 而無法 通過ODEX 檔案計算回最原本的DEX 檔案SHA-1 值了). |
file_size | uint | 檔案的總大小。 |
header_size | uint= 0x70 | 用來記錄目前DEXHeader 的大小( 現有版本為0x70bytes), 可用來做為後續Header 如果有改版時, 最基本的頭欄位向前, 向後相容的依據. |
endian_tag | uint= ENDIAN_CONSTANT | 預設值為Little-Endian, 在這欄位會顯示32bits 值”0x12345678”.( 應該在Big-Endian 處理器上, 會轉為“ 0x78563412”) |
link_size | uint | LinkSection 的大小, 如果為0 表示該DEX 檔案不是靜態連結. |
link_off | uint | 用來表示LinkSection 距離Dex 頭的Offset. 如果LinkSize 為0, 此值也會為0. 資料格式可以參考struct DexLink. |
map_off | uint | 用來表示MapItem 距離Dex 頭的Offset. 如果為0, 表示這DEX 檔案沒有MapItem. 資料格式可以參考struct map_list. |
string_ids_size | uint | 字串地址列表中的元素個數。 |
string_ids_off | uint | 字串地址列表的偏移。 |
type_ids_size | uint | 用來表示TypeIDs List 中的元素個數. |
type_ids_off | uint | TypeIDs List 的檔案偏移。如果type_ids_size 為0 ,則這個值亦為0。 |
proto_ids_size | uint | 用來表示PrototypeIDs List 中的元素個數。 |
proto_ids_off | uint | Prototype IDs 的檔案偏移。如果proto_ids_size 為0 這個值亦為0. |
field_ids_size | uint | Field IDs List的檔案偏移。如果field_ids_size 為0 這個值亦為0。 |
field_ids_off | uint | 字串地址列表的偏移。 |
method_ids_size | uint | 用來表示MethodIDs List 中的元素個數。 |
method_ids_off | uint | 用來表示Method IDs List 距離Dex 頭的Offset. 如果method_ids_size 為0 這個值亦為0. 資料格式可以參考struct DexMethodId. |
class_defs_size | uint | 用來表示ClassDefinitions List 的總數. |
class_defs_off | uint | 用來表示ClassDefinitionList 距離Dex 頭的Offset. 如果class_defs_size 為0 這個值亦為0. 資料格式可以參考struct DexClassDef. |
data_size | uint | 用來表示DataSection 的大小. 並需為sizeof(uint) 的偶數倍.( 所以就是0,8,16…etc) |
data_off | uint | 用來表示DataSection 距離Dex 頭的Offset. |
在header中有一個map_off,這是一個偏移地址,指向dex data區的maplist。
/*
* Direct-mapped "map_item".
*/
typedef struct DexMapItem {
u2 type; /* type code (see kDexType* above) */
u2 unused;
u4 size; /* count of items of the indicated type */
u4 offset; /* file offset to the start of data */
} DexMapItem;
/*
* Direct-mapped "map_list".
*/
typedef struct DexMapList {
u4 size; /* #of entries in list */
DexMapItem list[1]; /* entries */
} DexMapList;
map_list 裡先用一個 uint 描述後面有 size 個 map_item , 後續就是對應的 size 個 map_item 描述 。map_item 結構有 4 個元素 : type 表示該 map_item 的型別 ,本節能用到的描述如下 ,詳細Dalvik
Executable Format 裡 Type Code 的定義 ;size 表示再細分此 item , 該型別的個數 ;offset 是第一個元素的針對檔案初始位置的偏移量 ; unuse 是用對齊位元組的 ,無實際用處 。在DexMapItem結構中,type是一個列舉常量。
/* map item type codes */
enum {
kDexTypeHeaderItem = 0x0000,
kDexTypeStringIdItem = 0x0001,
kDexTypeTypeIdItem = 0x0002,
kDexTypeProtoIdItem = 0x0003,
kDexTypeFieldIdItem = 0x0004,
kDexTypeMethodIdItem = 0x0005,
kDexTypeClassDefItem = 0x0006,
kDexTypeMapList = 0x1000,
kDexTypeTypeList = 0x1001,
kDexTypeAnnotationSetRefList = 0x1002,
kDexTypeAnnotationSetItem = 0x1003,
kDexTypeClassDataItem = 0x2000,
kDexTypeCodeItem = 0x2001,
kDexTypeStringDataItem = 0x2002,
kDexTypeDebugInfoItem = 0x2003,
kDexTypeAnnotationItem = 0x2004,
kDexTypeEncodedArrayItem = 0x2005,
kDexTypeAnnotationsDirectoryItem = 0x2006,
};
string_ids
這一塊區域中儲存的是dex檔案中字串的資源的索引資訊。即目標字串在dex檔案資料區的物理偏移地址。在DexFile.h中可以找到它的定義:
struct DexStringId {
u4 stringDataOff; /* 在dex檔案中實際偏移量 */
};
該資料結構只有一個stringDataOff成員,當虛擬機器需要讀取該字串是,只需要將dex檔案在記憶體中的起始地址加上stringDataOff所表示的偏移值,即可得到該字串在記憶體中的實際實體地址。
在Dex檔案中,每個字串都對應了一個DexStringId資料結構,該資料結構的大小為4B,是一個確定的量。並且虛擬機器可以通過標頭檔案中的String_ids_size知道當前Dex檔案的字串總數,也就是string_ids區域中DexStringId的總數,因此虛擬機器通過簡單的乘法即可實現對改索引資源進行正確的訪問。
在data區存放的string並不是ascii編碼,而是MUTF-8編碼。這是一種修改過的UTF-8編碼,與傳統的UTF-8編碼有以下幾點區別:
- MUTF-8使用1-3位元組編碼
- 大於16位的Unicode編碼U+10000~U+10ffff使用3位元組來編碼
- U+0000採用2位元組來編碼
- 採用空字元作為字串的結尾
MUTF-8字串的頭部存放的是由uleb128編碼的字串個數(字串個數不包括結尾的空字元)。
type_ids
這一塊區域中儲存的是型別資源的索引資訊。定義如下:
struct DexTypeId {
u4 descriptorIdx; /* 指向字串索引表 */
};
在dex中,型別是是以字串的形式儲存在資料區的,因此DexTypeId資料結構中的descriptorIdx儲存的是目標型別在字串索引表裡的序列號。虛擬機器通過這個序列號從字串索引表中找出對應型別的字串。
proto_ids
這一區域中儲存的內容是方法原型資源的索引資訊,資料結構DexProtoId負責規格化這些資訊。
struct DexProtoId {
u4 shortyIdx; /* 方法宣告字串,指向字串索引表 */
u4 returnTypeIdx; /* 方法返回型別,指向字串索引表 */
u4 parametersOff; /* 指向一個DexTypeList的資料結構,DexTypeList表示引數列表*/
};
這個資料結構的前兩個成員同樣指向字串索引表,而parametersOff指向的是一個DexTypeList的資料結構,這個結構體的定義如下:
/*
* Direct-mapped "type_list".
*/
typedef struct DexTypeList {
u4 size; /* 表示DexTypeItem資料結構的個數 */
DexTypeItem list[1]; /* DexTypeItem列表*/
} DexTypeList;
DexTypeList表示的是一個方法的引數列表,size是引數個數,list這個陣列是一個DexTypeItem的陣列,這個DexTypeItem就是表示引數型別的資料結構。
/*
* Direct-mapped "type_item".
*/
typedef struct DexTypeItem {
u2 typeIdx; /* 表示引數型別,指向type_ids索引表 */
} DexTypeItem;
typeIdx指向型別資源索引表,虛擬機器通過該變亮就能獲得相應的引數型別。
field_ids
這一塊區域儲存的是程式碼中的欄位的索引資訊。用資料結構DexFieldId對索引資訊規格化。
struct DexFieldId {
u2 classIdx; /* 表示所屬類的型別 */
u2 typeIdx; /* 表示欄位的型別 */
u4 nameIdx; /* 欄位的名稱 */
};
在DexFieldId中,classIdx和typeIdx都是指向型別索引表type_ids中的一個DexTypeId表項。而nameIdx是指向字串索引表string_ids中的一個表項。
method_ids
method_ids資源區儲存的是Dex檔案中類方法資料的索引資訊。採用的資料結構為
struct DexMethodId {
u2 classIdx; /* 表示所屬類的型別 */
u2 protoIdx; /* 表示方法原型的型別 */
u4 nameIdx; /* 方法名稱 */
};
classIdx指向型別索引表type_ids中的一個DexTypeId,變數protoIdx記錄的該方法的原型,指向proto_ids表。nameIdx指向字串表string_ids,表示方法名稱。
class_def
在class_def資源區中,使用資料結構DexClassDef來對資源資訊規格化。
struct DexClassDef {
u4 classIdx; /* 表示類的型別,指向型別索引表 */
u4 accessFlags; /* 訪問識別符號 */
u4 superclassIdx; /* 表示超類的型別,指向型別索引表 */
u4 interfacesOff; /* 介面資訊,指向一個DexTypeList資料結構*/
u4 sourceFileIdx; /* 表示原始檔名,指向字串索引表 */
u4 annotationsOff; /* 註解目錄結構 */
u4 classDataOff; /* 類資料,指向一個DexClassData資料結構*/
u4 staticValuesOff; /* 靜態值得偏移量 */
};
訪問識別符號,表示了該類的屬性,同樣也適用於欄位和方法,具體如下表:
AccessFlag位元位 | 類(Class) | 方法(Method) | 域(Field) |
---|---|---|---|
0x00001 | Public | Public | Public |
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