Dalvik虚拟机原理及Xposed hook原理

这块知识本身是挺多的，网上有对应的源码分析，本文尽量从不分析代码的角度来把原理阐述清楚。

Xposed是一个在andoid平台上比较成熟的hook框架，可以完美的在dalvik虚拟机上做到hook任意java方法。在art虚拟机上仍然处在beta阶段，相信以后也会稳定支持。

Xposed在dalvik上的hook原理值得好好学习，这样才能改造它，或者开发类似的hook框架。

Dalvik虚拟机的代码分析参考这篇文章：
http://blog.csdn.net/innost/article/details/50377905
dex文件格式参考这篇文章：
http://www.blogfshare.com/dex-format.html
以上两篇文章写得非常好，当你对着源码来学习就会发现。

这里做一个总结，顺便说一些这些文章里面没有写的内容：

java源码经过编译后，得到很多个class文件， 考虑到手机的内存较小，google改进了字节码的组织形式，将一个app中的所有class文件合到了一起构成dex文件，当然并不是简单的拼接在一起，而是遵从dex的格式（参见上）重新组织。

dex文件最终会和资源文件等一起打包成为apk，签名后安装到手机上。

PackageManager在安装apk的时候，做了一件事：优化dex文件为odex，存放在/data/dalvik-cache目录下。

dex文件是遵从于dalvik虚拟机标准的文件，它具有跨dalvik虚拟机的特点，而odex是在特定dalvik虚拟机上优化得到的，通常不能跨dalvik虚拟机运行。

程序执行体现在方法的执行上，因为我们重点关注下方法的组织形式。

在dex文件中，方法体里面的内容最终存储在classData区域，方法体里面存储的是二进制的字节码。

在说字节码之前，先来说说什么是dalvik虚拟机，dalvik虚拟机说白了就是用c/c++写的一套复杂的程序，它定义了一堆的smali指令（256个），这些字节码指令高度抽象，组合这些指令可以完成我们想要的功能。你可以等同于汇编指令理解，但它们在语言级别要高于汇编（在虚拟机里面执行的，虚拟机又是c/c++写的，自然看出高于汇编）。

字节码的定义参考：
http://code.metager.de/source/xref/android/4.0.3/dalvik/libdex/DexOpcodes.h
字节码是用简单的二进制数字表示的，与可阅读的smali指令存在对应关系，具体对应方法参考google的官方文档：
http://source.android.com/devices/tech/dalvik/instruction-formats.htmlhttp://source.android.com/devices/tech/dalvik/dalvik-bytecode.html

我们只要知道有这个对应关系就好了， 已经有人写了工具来做这个转化：smali/baksmali，这个工具可以分析dex文件，解析字节码为对应的smali语法（反汇编），同时也可以将smali语法的文件重新转换为字节码生成dex文件（汇编）。

dex优化过程，其实是将一些字节码替换为dalvik相关的， 优化后的等价字节码。smali/baksmali同时也支持将odex转化为dex，不过你需要从odex产生的手机上dump出对应的文件（framework.jar等），传递给它，才能正确转化。

虚拟机又是如何执行这些字节码的呢？
答案在AOSP中（开源就是好），原来虚拟机对于每一个字节码，都写了一段代码来解释执行（你可以等价理解为API调用一样，调用某个API，后面一堆逻辑来实现这个API），只是不同cpu结构，实现方式不一样，比如arm使用了arm汇编来实现，x86使用了x86的汇编来实现，google提供了一个c/c++的实现方式来兼容一些未知的cpu结构，见：
https://android.googlesource.com/platform/dalvik2/+/master/vm/mterp/out/InterpC-portable.cpp

虚拟机在加载了odex（虚拟机总是使用odex文件，第一次使用时会先生成odex）, 会将整个odex文件的内容mmap到内存中，之后就和odex文件没有关系了。

虚拟机在load一个Class的时候（参见DexClassLoader源码），根据类的描述符，在内存中的odex区域，查询到对应的数据，构建出ClassObject对象，以及这个ClassObject关联的Method。

Method分为两种，dalvik虚拟机在处理的时候有区别，一种是directMethod，即Java世界里面实现的方法，一种是nativeMethod，即在c/c++里面实现的方法。

ClassObject里面有两个集合，分别存放了这个Class下定义的directMethods和nativeMethods。

Method中，有两个非常重要的指针：

const u2* insns; 
DalvikBridgeFunc nativeFunc;

对于directMethod，insns存放了该方法的字节码指针(还记得odex被mmap到内存中了么，这个指针就是这段内存里面指向code区域的开始处的指针)。
虚拟机在调用directMethod时，在构建好方法栈以后，pc指针指向了insns，于是可以从内存中取得字节码，然后解释执行。

一些apk加固厂商就是在这块做的手脚，这里衍生开来说一下：
梆梆加固的实现方式为：将原始dex中的内容加密处理，在app运行时，解密出dex，mmap到内存，还原了内存结构。
爱加密的方法则是，将方法体里面的字节码从dex中抠出来，加密到了自己的so中，在app运行时，从so中解密出方法体，然后修改mmap对应的内存，还原内存结构。

这些加固方法说白了就是将原始dex做加固处理，在运行时还原内存结构。所以光从静态分析反编译加固后的dex文件，将得不到有用信息。

但有一个基于xposed的zjdroid脱壳工具，可以在运行时dump出内存（odex结构的内存），保存为本地odex文件，再利用smali/baksmali还原出原始dex文件。

虚拟机在处理native方法时，走的是另外一套逻辑。

我们在使用native方法时，首先得使用System.loadLibrary对so进行加载，其最终是使用dlopen函数加载了指定的so文件。

之后在我们调用nativeMehtod的时候，会根据方法描述符，通过特定的映射关系（是否主动进行了注册会有不同）得到一个native层的函数名，再从之前dlopen获得的句柄中使用dlsys去查找对应的函数，得到了函数指针后，将这个指针赋值给 insns。在nativeFunc这个桥接函数中，将insns解析为函数指针，然后进行调用。

Xposed hook原理

有前面这些知识后，再理解Xposed的hook原理就不难了。
前面已经知道，一个java方法在虚拟机里面对应的Method为directMethod，其insns指向了字节码位置。

Xposed在对java方法进行hook时，先将虚拟机里面这个方法的Method改为nativeMethod(其实就是一个标识字段)，然后将该方法的nativeFunc指向自己实现的一个native方法，这样方法在调用时，就会调用到这个native方法，接管了控制权。

在这个native方法中，xposed直接调用了一个java方法，这个java方法里面对原方法进行了调用，并在调用前后插入了钩子，于是就hook住了这个方法。

Xposed的hook原理就是这么简单，但它有其他的问题要解决：如何将hook的代码注入到目标app的进程中？

Xposed的实现是依赖与root，重写android的zygote代码，加入自身的加载逻辑。zygote是android 系统最最初运行的程序，之后的进程都是通过它fork（你把它理解为复制吧）出来的。 于是zygote中加载的代码，在所有fork出来的子进程都含有（app进程也是fork出来的）。 所以xposed是一个可以hook android系统中任意一个java方法的 hook框架。

而淘宝根据xposed改造出来的dexposed，仅仅是注入hook代码的方式不同而已，hook逻辑完全一致。
dexposed不依赖与root，但需要开发者主动集成进来（我们集合了别人的广告sdk，其实也是让别人的程序跑到我们的进程里面，所以得小心点，给我一个入口，我也能hook住你的任何方法）。所以其hook的范围仅仅是被集成的应用（对于淘宝的AOP框架定义，这个效果刚刚好）。

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