技术标签: 安卓逆向 xml idea android axml Android
如果你有一定的编程基础,且知道什么是xml,什么是axml,你可以点击干货直接进入干货环节,但是我还是建议你听我絮叨一番,毕竟我还是想对你说…
apk是安卓的可执行程序,它的本质就是一个zip格式的压缩包文件,只是它可以被安卓系统识别、解释和运行。下图是apk内部的目录结构
看起来文件有点多,不过别担心,今天的主角只有xml文件,例如:图中看到的二进制化的AndroidManifest.xml,以及res目录下的所有二进制的xml文件.
安卓中二进制化的xml简称axml。
可扩展标记语言,标准通用标记语言的子集,简称XML。是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言
以上是百度百科的解释
xml文件内容如下图所示
(Android Binary XML)是安卓项目中、清单文件、布局文件以及其它所有xml资源,经过编译后产生的:二进制化的xml文件
上图的xml文件编译后产生的axml文件内容如下图所示
你是否会觉得:xml看着挺友好的,简单易懂,为什么要大费周折的搞成二进制呢?这太反人类了。
我简单讲两句二进制化的好处
文件尺寸缩减,例如:文件中大量使用到android:属性=“内容”,经过二进制化以后,xml中所有的android字符就只需要一个索引值指向android的命名空间即可,原本需要7个字符才能表示的信息,现在只需要一个索引 ID,直接省掉6个字符的空间 何况是全文共用这一个ID 这节省量是相当可观的。当然,其中的属性和内容也是同理。所以这种减过肥的xml看起来会更加性感。
执行效率更高,xml文件对人类而言,结构清晰,逻辑明确。但是对安卓系统来说并非如此。如果安卓直接使用xml,它就需要先解析xml,然后将文字信息一一对应到它所能识别的逻辑上(这种 将你懂的事情变成它能懂的事情,是一件耗时费力的过程。所以说:对人说人话,对机器就要说01话。)二进制化所产生的那一系列ID是直接指向安卓所能识别的逻辑上的,所以AXML对程序的执行来说,效率是非常哇塞的。
通过以上讲解,你应该大致明白了什么是xml,什么是axml,以及为什么安卓要把xml编译成axml。
那么至此,新的问题就产生了。
如果我只能拿到一个安卓的apk安装包,我没有源代码。那里面这种只给系统看不给我看的,二进制化的产物,到底会跟我的手机联合起来干些什么勾当?我是不是就无从得知了?万一它要对我做什么羞羞的事?我该怎么办?
您不用担心,本作文,就是为了解决这种问题,而准备的。
万事万物皆有规律可循,xml编译成axml也同样如此。它并非编译器,对xml风流过后,不负责任的产物。它是有道理可讲,有规律可循的正经事。所以我们就是要顺着它的规律,由着它的道理,一步一步抽丝剥茧,理清axml的来龙去脉,揪出创造它的元凶xml本身,让xml自己出来接受盘查。
那么,xml到axml之间到底有什么道理,又有什么规律,我们该从何查起呢?
所以这里就有了第一个自问自答环节:
到底谁能看懂这axml?
既然这axml最终是给安卓系统使用的,那当然就是安卓系统明白其中的道理啦,所以这线索就在安卓底层找。
安卓底层代码我给您放这里了。您想看的话就点进去吧。里面有安卓的各个版本的各种代码。喜欢侦探游戏的都可以进去探索一番,相信一定会有不小的收获的。
现在有了系统源码,接下来的问题就是该看哪个代码?安卓4.4版本有10个G的源代码。茫茫代码海,该游向何方?
所以这里就有了第二个自问自答环节:
axml对安卓来讲到底算个什么东西?
既然它不是程序逻辑,那它就是程序资源。所以去寻找资源相关的东西。
以上只是给出寻找思路,答案我就直接放在这里,感兴趣的话,可以自己去源码里一探究竟。
axml用到的格式在ResourceTypes.h已有定义。
接下来就是干货时间
首先我直接给出我的分析结果,我已经把我所理解的AXML的组成原理,整理为一张结构图,就是下面这张图了。如果想看我的源码的话,它已经托管至全球最大的同性交友网站,直接点击那两个高亮部分,进去把玩一番吧。接下来我会以此图为主,把一些重要的注意事项讲给你听,希望你会喜欢这篇作文,并从此爱上我。
ResourceTypes.h里提出了一个概念,叫做chunk块
整个axml文档是由 一块(chunk) 又 一块(chunk) 的结构堆叠起来的,为了便于理解,可以把chunk理解为一个盒子。
整个axml是最大的一个盒子(chunk) 盒子里面依次是
命名空间内所存放的 结构盒子(chunk) 依次是
到此为止希望你已经大致清楚了 AXML 这个 大盒子(chunk) 的结构怎么堆叠起来的了。
接下来将是热血沸腾的高潮时刻,希望你还能hold住。高能提示:提前备好纸巾,全程无尿点,接下来会结合ResourceTypes.h中定义的结构体,深入axml的体内来一探究竟。
因为涉及到代码的分析和整理,这里希望你具备一定的编程基础,最好是理解C++数据结构的定义,同时懂一点安卓的正向开发,知道安卓的项目结构。 当然你不清楚C++也没关系,我会将C++的结构体转写为java的Object。
在开始代码分析之前有一件非常重要,但是 ResourceTypes.h 没有提到事情,你一定不要忽视,由于安卓系统主流的CPU是arm的架构,所以axml的二进制整篇是以小端编码的方式存储的。
大小端编码也不是本文的主体,更专业的解释需要你另外补充营养。
这里只粗略的解释一下
例如下面这两个字节
00 0F
大端编码 它的结果就是 00 0F 值等于 15
小端编码 需要字节倒序 就是 0F 00 值等于 3840
结构图第一行也已经注明 little endian byte order 请不要忽视它的存在
上面axml截图中开始的两个字节是03 00但是结构图备注的FileType却是0x0003正是这个原因
接下来正文开始
ResourceTypes.h开篇的第一个结构体是Res_png_9patch,安卓的.9图不是本文所care的东西,直接跳过,之后的无关成员也会一并跳过。
通过上面的结构图,你或许注意到,每个 盒子(chunk) 的开始都会有一些共同的属性 [Chunk Type、Header Size、Chunk Size] 这几个共同的属性是就是该 盒子(chunk)的基础头信息(header) ,头信息解释了这个盒子姓甚名谁。
不同的盒子,头信息的数据量是不同的,Header Size 表明了当前 盒子(chunk) 头信息的大小,图中头信息的内容已用粗体区别出来。
tips:文件最开始的 FileType 和 FileSize 与子盒子的 ChunkType 和 ChunkSize 其实是同样的东西,只是根盒子的size也等同于该文件的size,根盒子的type也同等于该文件的type,索性直接将其命名为了 FileType 和 FileSize ,请悉知,并奔走相告。
那么接下来看一下ResourceTypes.h中对基础头信息的定义[代码160行]
/**
* Header that appears at the front of every data chunk in a resource.
*/
struct ResChunk_header
{
// Type identifier for this chunk. The meaning of this value depends
// on the containing chunk.
uint16_t type;
// Size of the chunk header (in bytes). Adding this value to
// the address of the chunk allows you to find its associated data
// (if any).
uint16_t headerSize;
// Total size of this chunk (in bytes). This is the chunkSize plus
// the size of any data associated with the chunk. Adding this value
// to the chunk allows you to completely skip its contents (including
// any child chunks). If this value is the same as chunkSize, there is
// no data associated with the chunk.
uint32_t size;
};
[tips:1 byte = 8bit]
chunkType 占16bit,即2byte 对应java的short
headerSize 占16bit,即2byte 对应java的short
chunkSize 占32bit,即4byte 对应java的int
所以上面的结构体转java代码如下
class BaseChunk {
short chunkType;
short headerSize;
int chunkSize;
}
chunkType的取值为[代码179行]
enum {
RES_NULL_TYPE = 0x0000,
RES_STRING_POOL_TYPE = 0x0001,
RES_TABLE_TYPE = 0x0002,
RES_XML_TYPE = 0x0003,
// Chunk types in RES_XML_TYPE
RES_XML_FIRST_CHUNK_TYPE = 0x0100,
RES_XML_START_NAMESPACE_TYPE= 0x0100,
RES_XML_END_NAMESPACE_TYPE = 0x0101,
RES_XML_START_ELEMENT_TYPE = 0x0102,
RES_XML_END_ELEMENT_TYPE = 0x0103,
RES_XML_CDATA_TYPE = 0x0104,
RES_XML_LAST_CHUNK_TYPE = 0x017f,
// This contains a uint32_t array mapping strings in the string
// pool back to resource identifiers. It is optional.
RES_XML_RESOURCE_MAP_TYPE = 0x0180,
// Chunk types in RES_TABLE_TYPE
RES_TABLE_PACKAGE_TYPE = 0x0200,
RES_TABLE_TYPE_TYPE = 0x0201,
RES_TABLE_TYPE_SPEC_TYPE = 0x0202
};
转java代码如下
public enum ChunkType {
CHUNK_STRING /*chunk type*/(0x0001),
CHUNK_RESOURCE /*chunk type*/(0x0180),
CHUNK_START_NAMESPACE /*chunk type*/(0x0100),
CHUNK_END_NAMESPACE /*chunk type*/(0x0101),
CHUNK_START_TAG /*chunk type*/(0x0102),
CHUNK_END_TAG /*chunk type*/(0x0103),
;
public final int TYPE;
ChunkType(int TYPE) {
this.TYPE = TYPE;
}
}
java代码里我只列出了axml用到的部分,未使用的部分被我赏了白眼。
以上代码对基础的头信息也就解释清楚了。
接下来直接开始看图识字环节。
StringChunk是整个文件的头信息结束后,第一个冲出来的盒子(chunk)。所以它从文件的(headerSize)第八个字节开始。
StringChunk的结构定义如下[代码382行]
/**
* Definition for a pool of strings. The data of this chunk is an
* array of uint32_t providing indices into the pool, relative to
* stringsStart. At stringsStart are all of the UTF-16 strings
* concatenated together; each starts with a uint16_t of the string's
* length and each ends with a 0x0000 terminator. If a string is >
* 32767 characters, the high bit of the length is set meaning to take
* those 15 bits as a high word and it will be followed by another
* uint16_t containing the low word.
*
* If styleCount is not zero, then immediately following the array of
* uint32_t indices into the string table is another array of indices
* into a style table starting at stylesStart. Each entry in the
* style table is an array of ResStringPool_span structures.
*/
struct ResStringPool_header
{
struct ResChunk_header header;
// Number of strings in this pool (number of uint32_t indices that follow
// in the data).
uint32_t stringCount;
// Number of style span arrays in the pool (number of uint32_t indices
// follow the string indices).
uint32_t styleCount;
// Flags.
enum {
// If set, the string index is sorted by the string values (based
// on strcmp16()).
SORTED_FLAG = 1<<0,
// String pool is encoded in UTF-8
UTF8_FLAG = 1<<8
};
uint32_t flags;
// Index from header of the string data.
uint32_t stringsStart;
// Index from header of the style data.
uint32_t stylesStart;
};
接下来结合结构图逐一分析StringChunk里的信息
首先上文已经讲过,axml全文小端编码,所以这里默认的字符编码是UTF_16LE(little endian),只有isUtf8不为0的时候才是UTF8编码,所以这里有个坑需要注意,我之所以说isUtf8不为零即为真, 是因为isUTF8这个值其实是以大端编码记录的,所以二进制文件可以看到是00 01 也就是数字1,但是经过小端编码后 得到的值是01 00就成了数字 256,在我的代码中你会看到这行代码
//utf8(0x0100) or default utf16le(0x0000)
this.isUTF8 = byteBuffer.getShort() != 0;
因为我猜测它的取值只有0或1,所以我直接用了不为零即为真的判断方式,所以你知道我为什么这么干就好,但是重新存储该信息的时候,我是切回大端编码写回,再切回小端编码写后续内容的。
@Override
protected void toBytes(ByteArrayOutputStream stream) throws IOException {
stringCount = stringList.size();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(5 * 4 + stringOffsets.length * 4 + styleOffsets.length * 4);
byteBuffer.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
byteBuffer.putInt(stringCount);
byteBuffer.putInt(styleCount);
byteBuffer.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN);
byteBuffer.putShort((short) (isUTF8 ? 1 : 0));
byteBuffer.putShort((short) (isSorted ? 1 : 0));
byteBuffer.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
byteBuffer.putInt(stringStart);
byteBuffer.putInt(styleStart);
}
接下来继续讲StringPool里面的内容
StringPool里面是每一条的字符串信息
结构图中Each One (String)已经简单阐明了它包含几层结构
不过这里的每一条信息都是一个坑
开始的CharLength和ByteLength是第一个坑,这两个属性在ResourceTypes.h中没有提及,是我一次又一次遭受程序的毒打后,总结经验并验证出来的。
在UTF_16LE的编码下CharLength和ByteLength整体是一个CharLength,即CharLength直接占两个字节,没有ByteLength属性。个人揣测,这可能是因为UTF_16LE本身已经足够容纳所需的文字信息,不需要额外的ByteLength属性。因为UTF_16LE的每个字符直接占用了2个字节,而UTF8每个字符占1个字节,当然了UTF8是可变长的,所以就有了下一个坑。
在UTF8的编码下CharLength和ByteLength都有各自的意义。CharLength是字符数量,即java的String.length(),ByteLength是该字符所占的字节大小,即String.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length。往往CharLength和ByteLength的值是相同的,所以我一开始是直接使用CharLength没有考虑ByteLength 导致遇到中文的时候,系统直接崩溃了,因为英文字符只占一个字节所以CharLength与ByteLength 是相等的,但是中文的字符占三个字节ByteLength 是大于CharLength的。这个坑在ResourceTypes.h也未提及。
至此StringChunk的分析也就结束了,现在来展现几个截图,给你巩固一下。
首先这是Manifest的源文件
这是Manifest的axml文件,我已经在二进制下面,备注了它对应的意义
你可以注意到isUTF8 = 0所以是UTF16LE编码,每个字符占两个字节,比如第一个字符[7400]
然后这是layout的源文件
这是Layout的axml文件,我也在二进制下面,备注上了它对应的意义
你可以注意到isUTF8 = 1所以这里的字符串是UTF8编码,每个字符占1个字节,比如第一个字符[74]
其实这里还有一个技巧,可以让你更直观的看到文字信息。
现在已经知道Manifest中的字符是UTF16LE编码 那我们直接以UTF16LE编码的方式打开它就可以看到文字了
同理Layout中的字符是UTF8编码 那我们直接以UTF8编码的方式打开它,就可以看到文字了
就像这样
现在用UTF16LE打开AndroidManifest
用UTF8打开Layout
相信你已经注意到了,我在manifest和layout中都写入了“测试APK123”,但是在不同的编码下,呈现出了不同的结果
<0x0800> 测试APK123 <0x0000>
<长度8> 测试APK123 <结束符>
你应该注意到 截图中是 <0x08> 但是我这里写的是 <0x0800> 因为UTF16LE每个字符占两个字节,我只是将它真实的样子展现给你。
<0x08><0x0c> 测试APK123 <0x00>
<长度8><字节12> 测试APK123 <结束符>
因为UTF8中,中文占三个字节所以是3+3+6=12
最后再说一遍TIPS:
UTF16双字节,UTF8单字节
UTF16双字节,才会区分LE和BE
UTF8 单字节,没有多余的字节去倒序,所以不区分LE或BE
到此为止,整个StringChunk就解释完了,不知道你学废了没有,想了解更多细节的话,可以去浏览一下我的代码,看看与你所想是否一样。
StringChunk之后,紧接着就是SystemResourceIDChunk 它的Type是0x0180
除了基础的Header信息之外,它的主体只有一个ResourceIDs。
ResourceIDs是一段连续的32位Integer数组,里面记录了整个文档中,使用到的系统属性所对应的索引ID,你可以在安卓源码的android.R$attr.**中找到这些索引的身影。
就像下面这样
如果你也想跑一下ResourceChunk.java的代码,你只需要插入相应的打印语句即可。
命名空间是由开始和结束两组标签成对出现的
它除了基本的header信息之外
还有4个信息
从这里开始 需要注意 不管是 Prefix 还是 Uri 甚至之后所有的TagChunk中出现的所有文字信息,存储的都不是具体文本,而是指向 StringChunk 中 StringPool 的index索引。
假设:现在这个 Prefix 拿到了int值等于5,那么你在 StringChunk 中 StringPool 的第6串(即索引为5)的字符串里,会得到内容为"android"的字符串。
</EndTag> 是对 <StartTag> 标签的关闭,这里只讲述一下StartTag,理解了StartTag,EndTag就很easy了。
先来看一下ResourceTypes.h中对TagChunk的结构定义[代码564行]
/**
* Extended XML tree node for start tags -- includes attribute
* information.
* Appears header.headerSize bytes after a ResXMLTree_node.
*/
struct ResXMLTree_attrExt
{
// String of the full namespace of this element.
struct ResStringPool_ref ns;
// String name of this node if it is an ELEMENT; the raw
// character data if this is a CDATA node.
struct ResStringPool_ref name;
// Byte offset from the start of this structure where the attributes start.
uint16_t attributeStart;
// Size of the ResXMLTree_attribute structures that follow.
uint16_t attributeSize;
// Number of attributes associated with an ELEMENT. These are
// available as an array of ResXMLTree_attribute structures
// immediately following this node.
uint16_t attributeCount;
// Index (1-based) of the "id" attribute. 0 if none.
uint16_t idIndex;
// Index (1-based) of the "class" attribute. 0 if none.
uint16_t classIndex;
// Index (1-based) of the "style" attribute. 0 if none.
uint16_t styleIndex;
};
struct ResXMLTree_attribute
{
// Namespace of this attribute.
struct ResStringPool_ref ns;
// Name of this attribute.
struct ResStringPool_ref name;
// The original raw string value of this attribute.
struct ResStringPool_ref rawValue;
// Processesd typed value of this attribute.
struct Res_value typedValue;
};
对应的java代码如下
public class StartTagChunk extends BaseContentChunk {
public final int namespaceUri;
public final int name;
public short attributeStart;
public short attributeSize;
public short attributeCount;
public short idIndex;
public short classIndex;
public short styleIndex;
public List<Attribute> attributes;
public static class Attribute {
public final int namespaceUri;
public final int name;
public final int value;
public final short structureSize;
public final byte Res0;
public final byte type;
public final int data;
}
}
这里只讲一下,上文没有讲过,但是StartTag里独有的属性
什么是attribute(属性)
例如:layout中有这样一行文字
android:text=“测试APK123”
这就是TextView标签的一条属性信息
“android” 是该属性所属的命名空间
“text” 是该属性的属性名
“测试APK123” 是该属性的属性值
具体内容如下所示
最后还是说一下,EndTag是对StartTag的结束,Tag可以相互嵌套,下面是一个简略图。希望你能理解
<根标签 xmlns:命名空间="命名空间地址">
<标签 命名空间:属性名="属性值">
<子标签 命名空间:属性名="属性值"><...></子标签>
<...>
</标签>
<...>
</根标签>
如果还有什么不理解的,可以在评论区提问,虽然我不一定会现身(我很懒的)。但是我还是期待着与你的再次相遇。
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