Dex结构

作者: Joe_blake | 来源:发表于2018-06-29 10:23 被阅读20次

一、Define

dex是Android平台上(Dalvik虚拟机)的可执行文件，是Dalvik虚拟机编译java文件生成的.class文件整合生成.dex。

.Class文件是以class为区域进行划分的，每个区域包含这个class所有的方法、变量、常量等。而Dex文件以类型进行划分，将同一种类型的元素集中到一起存放，减小了冗余信息，最大程度上利用了空间。

在5.0之前的设备上，第一次打开应用时会执行dexopt，生成.odex文件，以后每次都直接加载优化过后的.odex文件；在5.0及以后，ART虚拟机会进行dex2oat进行优化----dex字节码编译成.oat。

二、Explanation

1.Dex文件结构

我们可以使用 dx –dex –output=xxxx.dex xxxx.class命令将.class文件转换为.dex。

example：

public class Dex {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello Dex");
    }
}

这个java类的dex文件如下：

dex

vim命令模式下输入 :%!xxd 命令可以转化16进制的表示方式

Dex文件的结构如下：

Dex 结构

Dex文件主要分为3部分：文件头、索引区、数据区。数据结构如下：

struct DexFile  {  
  DexHeader       Header;  
  DexStringId     StringIds[stringIdsSize];  
  DexTypeId       TypeIds[typeIdsSize];  
  DexProtoId      ProtoIds[protoIdsSize];  
  DexFieldId      FieldIds[fieldIdsSize];  
  DexMethodId     MethodIds[methodIdsSize];  
  DexClassDef     ClassDefs[classDefsSize];  
  DexData         Data[];  
  DexLink         LinkData;  
};

文件头记录了dex文件的一些基本信息, 以及大致的数据分布. dex文件头部总长度是固定的0x70。其中包含了内容校验、签名校验、数据数量及偏移量等内容。

ubyte 8-bit unsinged int
uint 32-bit unsigned int, little-endian;

alignment: 4 bytes
struct header_item {
  ubyte[8] magic; //魔术，用来识别.dex文件，绝大多数的.dex文件值为dex\n035\0
  unit checksum;  //除magic和checksum外所有字节的adler32值，用于检测文件的完整性
  ubyte[20] siganature; //除magic、checksum、signature外所有字节的SHA-1值，用于唯一的标识文件
  uint file_size;     //文件大小，即 0x2dc = 732字节，和我们在电脑上看的大小一致
  uint header_size;   //header_item的大小，固定为0x70也就是112字节
  unit endian_tag;    //大小端标记，dex固定为 78563412 = 0x12345678，即小端序
  uint link_size;     //保留字段，链接部分的大小，如果此文件没有静态链接，则为0
  uint link_off;      //保留字段，并没有用到，值为0
  uint map_off;       //必定为非0值，map_item 的偏移地址，详细看下面的介绍。
  uint string_ids_size;   //string的数量，可以为0
  uint string_ids_off;    //string_ids列表的位置，可以为0
  uint type_ids_size;     //type的数量，可以为0，最大值为65535
  uint type_ids_off;      //type_ids列表的位置，可以为0
  uint proto_ids_size;    //proto_type的数量，最大值为65535
  uint proto_ids_off;     //proto_ids列表的位置，可以为0
  uint method_ids_size;   //method的数量，可以为0
  uint method_ids_off;    //method_ids列表的位置，可以为0
  uint class_defs_size;   //类定义（class definitions）的数量，可以为0
  uint class_defs_off;    //类定义列表的位置
  uint data_size;         //数据区大小
  uint data_off;          //数据区的位置
}

索引区中索引了整个dex中的字符串、类型、方法声明、字段以及方法的信息, 其结构体的开始位置和个数均来自dex文件头中的记录。

字符串索引区, 描述dex文件中所有的字符串信息；
```
struct DexStringId {
  uint string_data_off;      //对应string_data_item的偏移
}
```
```
struct string_data_item {
    uleb128 utf16_size;     //字符串长度
    ubyte data;             //字符串的内容，MUTF-8格式
} 
```
在字符串列表string_data_item中，代码中定义的类的类名, 成员函数名, 函数的参数类型, 字符串, 以及调用的系统函数的名和源码的文件名在字符串列表中都有对应，它们由MUTF-8编码表示。

类型索引区, 描述dex文件中所有的类型, 如类类型、基本类型、返回值类型等；

//描述类型索引的结构体为DexTypeId, 里面只有一个成员，指向字符串索引区的下标
struct DexTypeId {
  uint  descriptor_idx;      //string_ids 里的 index 序号
};

方法声明索引区，描述dex文件中所有的方法声明

struct proto_id_item{
  uint shorty_idx;            //描述method 原型
  uint return_type_idx;   //method 原型的返回值类型
  uint parameters_off;        /指向一个type_list结构体, 存放方法的参数列表，若没有参数则为0
}

struct type_list {
  uint size;              //参数的个数
  ushort type_idx[size];  //对应参数的类型
}

字段索引区, 描述dex文件中所有的字段声明, 这个结构中的数据全部都是索引值, 指明了字段所在的类、字段的类型以及字段名称
```
struct filed_id_item{
  ushort class_idx;       //field 所属class类型
  ushort type_idx;        //field 类型,    
  uint name_idx;      //field 名称,
}
```

方法索引区, 描述Dex文件中所有的方法, 指明了方法所在的类、方法的声明以及方法名字

struct method_id_item{
  ushort class_idx;       //method 所属的 class 类型
  ushort proto_idx;       //method 声明类型  
  uint name_idx;      //method 名称 
}

数据区存放对类的定义和具字段名称。

class_defs 区域里存放着 class definitions，class 的定义
```
struct class_def_item {
  uint class_idx;            //类的类型
  uint access_flags;         //访问标志
  uint superclass_idx;       //父类类型
  uint interfaces_off;       //接口偏移
  uint source_file_idx;  //源文件名
  uint annotations_off;  //注解偏移
  uint class_data_off;       //类数据偏移
  uint static_value_off; //类静态数据偏移
}
```
各参数含义如下：
1. class_idx描述具体的class类型，值是type_ids的一个index。值必须是一个class类型，不能是数组类型或者基本类型。
2. access_flags描述class的访问类型，诸如public，final，static等。在官方文档dex-format里“access_flags Definitions”有具体的描述。
3. superclass_idx，描述supperclass的类型，值的形式跟class_idx一样。
4. interfaces_off，值为偏移地址，指向class的interfaces，被指向的数据结构为type_list。class若没有
  interfaces，值为0。
5. source_file_idx，表示源代码文件的信息，值是string_ids的一个index。若此项信息缺失，此项值赋值为NO_INDEX=0xffff ffff。
6. annotions_off，值是一个偏移地址，指向的内容是该class的注释，位置在data区，格式为annotations_direcotry_item。若没有此项内容，值为0。
7. class_data_off，值是一个偏移地址，指向的内容是该class的使用到的数据，位置在data区，格式为class_data_item。若没有此项内容，值为0。该结构里有很多内容，详细描述该class的field，method，method里的执行代码等信息，后面有一个比较大的篇幅来讲述class_data_item。
8. static_value_off，值是一个偏移地址，指向data区里的一个列表(list)，格式为encoded_array_item。若没有此项内容，值为0。

class_data_off 指向 data 区里的 class_data_item 结构，class_data_item 里存放着本 class 使用到的各种数据，下面是 class_data_item 的逻辑结构 :

struct class_data_item{
  uleb128 static_fields_size;     //静态字段
  uleb128 instance_fields_size;   //实例字段
  uleb128 direct_methods_size;    //直接方法（private或者构造方法）
  uleb128 virtual_methods_size;   //虚方法（非private、static、final，非构造方法）
  encoded_field static_fields[static_fields_size];        //静态字段
  encoded_field instance_fields[instance_fields_size];    //实例字段
  encoded_method direct_methods[direct_method_size];      //直接方法
  encoded_method virtual_methods[virtual_methods_size];   //虚方法
}

struct encoded_field{
  uleb128 filed_idx_diff;   //filed_idx相对差值
  uleb128 access_flags;     //访问权限
}

struct encoded_method{
  uleb128 method_idx_diff;  //method_idx相对差值
  uleb128 access_flags;     //访问权限
  uleb128 code_off;         //指向data区的偏移地址
}

code_off指向code_item结构

struct code_item {
  ushort registers_size;//本段代码使用到的寄存器数目
  ushort ins_size;      //传入当前method的参数数量，后面的结果中默认的构造方法中这个值是1，原因是有个this，静态方法没this
  ushort outs_size;     //本段代码调用其它method时需要的参数个数
  ushort tries_size;    //代码块中异常处理的数量，结构为try_item
  uint debug_info_off;  //偏移地址，指向本段代码的debug信息存放位置，是一个debug_info_item结构
  uint insns_size;      //指令列表的大小，以16-bit为单位。insns是instructions的缩写
  ushort insns[insns_size];   //指令列表
  ushort paddding;                      // optional，值为0，用于对齐字节
  try_item tries[tyies_size];           // optional，用于处理java中的exception，常见的语法有try catch
  encoded_catch_handler_list handlers;  // optional，用于处理java中的exception，常见的语法有try catch
}

class_defs索引了.dex里面用到的class，以及对这个class的描述。Dex.dex里只有一个class，就是LDex;。
class_defs区，这里面其实是class_def_item结构。这个结构里描述了LHello;的各种信息，诸如名称，superclass，accessflag，interface等。class_def_item里有一个元素class_data_off，指向data区里的一个class_data_item结构，用来描述class使用到的各种数据。自此以后的结构都归于data区了。
class_data_item结构，里描述值着class里使用到static_field，instance_field，direct_method，virtual_method的数目和描述。例如Hello.dex里，只有2个direct_method，其余的field和method的数目都为0。描述direct_method的结构叫做encoded_method，是用来详细描述某个method的。
encoded_method结构，描述某个method的method类型，包含access_flags和code_off偏移地址，code_off指向的数据类型为code_item。
code_item，code_item结构里描述着某个method的具体实现。

Dex结构

一、Define

二、Explanation

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