Android類動態載入技術

 

Android應用開發在一般情況下，常規的開發方式和代碼架構就能滿足我們的普通需求。但是有些特殊問題，常常引發我們進一步的沉思。我們從沉思中產生頓悟，從而產生新的技術形式。

 

如何開發一個可以自訂控制項的Android應用？就像eclipse一樣，可以動態載入外掛程式；如何讓Android應用執行伺服器上的不可預知的代碼？如何對Android應用加密，而只在執行時自解密，從而防止被破解？……

 

熟悉Java技術的朋友，可能意識到，我們需要使用類載入器靈活的載入執行的類。這在Java裡已經算是一項比較成熟的技術了，但是在Android中，我們大多數人都還非常陌生。

 

 

 

類載入機制

       Dalvik虛擬機器如同其他Java虛擬機器一樣，在運行程式時首先需要將對應的類載入到記憶體中。而在Java標準的虛擬機器中，類載入可以從class檔案中讀取，也可以是其他形式的二進位流。因此，我們常常利用這一點，在程式運行時手動載入Class，從而達到代碼動態載入執行的目的。

 

       然而Dalvik虛擬機器畢竟不算是標準的Java虛擬機器，因此在類載入機制上，它們有相同的地方，也有不同之處。我們必須區別對待。

 

       例如，在使用標準Java虛擬機器時，我們經常自訂繼承自ClassLoader的類載入器。然後通過defineClass方法來從一個二進位流中載入Class。然而，這在Android裡是行不通的，大家就沒必要走彎路了。參看源碼我們知道，Android中ClassLoader的defineClass方法具體是調用VMClassLoader的defineClass本地靜態方法。而這個本地方法除了拋出一個“UnsupportedOperationException”之外，什麼都沒做，甚至連傳回值都為空白。

 

 

static void Dalvik_java_lang_VMClassLoader_defineClass(const u4* args,

 

    JValue* pResult)

 

{

 

    Object* loader = (Object*) args[0];

 

    StringObject* nameObj = (StringObject*) args[1];

 

    const u1* data = (const u1*) args[2];

 

    int offset = args[3];

 

    int len = args[4];

 

    Object* pd = (Object*) args[5];

 

    char* name = NULL;

 

 

 

    name = dvmCreateCstrFromString(nameObj);

 

    LOGE("ERROR: defineClass(%p, %s, %p, %d, %d, %p)\n",

 

        loader, name, data, offset, len, pd);

 

    dvmThrowException("Ljava/lang/UnsupportedOperationException;",

 

        "can't load this type of class file");

 

 

 

    free(name);

 

    RETURN_VOID();

 

}

 

Dalvik虛擬機器類載入機制

       那如果在Dalvik虛擬機器裡，ClassLoader不好使，我們如何?動態載入類呢？Android為我們從ClassLoader派生出了兩個類：DexClassLoader和PathClassLoader。其中需要特別說明的是PathClassLoader中一段被注釋掉的代碼：

 

 

/**//* --this doesn't work in current version of Dalvik--

 

    if (data != null) {

 

        System.out.println("--- Found class " + name

 

            + " in zip[" + i + "] '" + mZips[i].getName() + "'");

 

        int dotIndex = name.lastIndexOf('.');

 

        if (dotIndex != -1) {

 

            String packageName = name.substring(0, dotIndex);

 

            synchronized (this) {

 

                Package packageObj = getPackage(packageName);

 

                if (packageObj == null) {

 

                    definePackage(packageName, null, null,

 

                            null, null, null, null, null);

 

                }

 

            }

 

        }

 

 

 

        return defineClass(name, data, 0, data.length);

 

    }

 

*/

 

 

 

       這從另一方面佐證了defineClass函數在Dalvik虛擬機器裡確實是被閹割了。而在這兩個繼承自ClassLoader的類載入器，本質上是重載了ClassLoader的findClass方法。在執行loadClass時，我們可以參看ClassLoader部分源碼：

 

 

protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve)

 

throws ClassNotFoundException {

 

Class<?> clazz = findLoadedClass(className);

 

 

 

    if (clazz == null) {

 

        try {

 

            clazz = parent.loadClass(className, false);

 

        } catch (ClassNotFoundException e) {

 

            // Don't want to see this.

 

        }

 

 

 

        if (clazz == null) {

 

            clazz = findClass(className);

 

        }

 

    }

 

 

 

    return clazz;

 

}

 

       因此DexClassLoader和PathClassLoader都屬於符合雙親委派模型的類載入器（因為它們沒有重載loadClass方法）。也就是說，它們在載入一個類之前，回去檢查自己以及自己以上的類載入器是否已經載入了這個類。如果已經載入過了，就會直接將之返回，而不會重複載入。

 

       DexClassLoader和PathClassLoader其實都是通過DexFile這個類來實作類別載入的。這裡需要順便提一下的是，Dalvik虛擬機器識別的是dex檔案，而不是class檔案。因此，我們供類載入的檔案也只能是dex檔案，或者包含有dex檔案的.apk或.jar檔案。

 

        也許有人想到，既然DexFile可以直接載入類，那麼我們為什麼還要使用ClassLoader的子類呢？DexFile在載入類時，具體是調用成員方法loadClass或者loadClassBinaryName。其中loadClassBinaryName需要將包含包名的類名中的”.”轉換為”/”。我們看一下loadClass代碼就清楚了：

 

 

 

public Class loadClass(String name, ClassLoader loader) {

 

        String slashName = name.replace('.', '/');

 

        return loadClassBinaryName(slashName, loader);

 

}

       在這段代碼前有一段注釋，截取關鍵一部分就是說：If you are not calling this from a class loader, this is most likely not going to do what you want. Use {@link Class#forName(String)} instead. 這就是我們需要使用ClassLoader子類的原因。至於它是如何驗證是否是在ClassLoader中調用此方法的，我沒有研究，大家如果有興趣可以繼續深入下去。

 

       有一個細節，可能大家不容易注意到。PathClassLoader是通過建構函式new DexFile(path)來產生DexFile對象的；而DexClassLoader則是通過其靜態方法loadDex（path, outpath, 0）得到DexFile對象。這兩者的區別在於DexClassLoader需要提供一個可寫的outpath路徑，用來釋放.apk包或者.jar包中的dex檔案。換個說法來說，就是PathClassLoader不能主動從zip包中釋放出dex，因此只支援直接操作dex格式檔案，或者已經安裝的apk（因為已經安裝的apk在cache中存在緩衝的dex檔案）。而DexClassLoader可以支援.apk、.jar和.dex檔案，並且會在指定的outpath路徑釋放出dex檔案。

 

       另外，PathClassLoader在載入類時調用的是DexFile的loadClassBinaryName，而DexClassLoader調用的是loadClass。因此，在使用PathClassLoader時類全名需要用”/”替換”.”。

 

 

實際操作

       這一部分比較簡單，因此我就不贅言了。只是簡單的說下。

 

       可能使用到的工具都比較常規：javac、dx、eclipse等。其中dx工具最好是指明--no-strict，因為class檔案的路徑可能不匹配。

 

       載入好類後，通常我們可以通過Java反射機制來使用這個類。但是這樣效率相對不高，而且老用反射代碼也比較複雜淩亂。更好的做法是定義一個interface，並將這個interface寫進容器端。待載入的類，繼承自這個interface，並且有一個參數為空白的建構函式，以使我們能夠通過Class的newInstance方法產生對象。然後將對象強制轉換為interface對象，於是就可以直接調用成員方法了。

 

 

關於代碼加密的一些設想

       最初設想將dex檔案加密，然後通過JNI將解密代碼寫在Native層。解密之後直接傳上二進位流，再通過defineClass將類載入到記憶體中。

 

       現在也可以這樣做，但是由於不能直接使用defineClass，而必須傳檔案路徑給dalvik虛擬機器核心，因此解密後的檔案需要寫到磁碟上，增加了被破解的風險。

 

       Dalvik虛擬機器核心僅支援從dex檔案載入類的方式是不靈活的，由於沒有非常深入的研究核心，我不能確定是Dalvik虛擬機器本身不支援還是Android在移植時將其閹割了。不過相信Dalvik或者是Android開源項目都正在向能夠支援raw資料定義類方向努力。

 

       我們可以在文檔中看到Google說：Jar or APK file with "classes.dex". (May expand this to include "raw DEX" in the future.)；在Android的Dalvik源碼中我們也能看到RawDexFile的身影（不過沒有具體實現）。

 

       在RawDexFile出來之前，我們都只能使用這種存在一定風險的加密方式。需要注意釋放的dex檔案路徑及許可權管理，另外，在載入完畢類之後，除非出於其他目的否則應該馬上刪除臨時的解密檔案。

 

 

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