Android中的Apk加固原理解析和实现

原理解析

下面看一下Android中加壳的原理：

在加固过程中需要三个对象：

• 需要加密的APK（源程序APK）
• 壳程序APK（负责解密APK工作）
• 加密工具（将源APK进行加密和壳程序的DEX合并）

主要步骤
用加密算法对源程序APK进行加密，再将其与壳程序APK的DEX文件合并生成新的DEX文件，最后替换壳程序中的原DEX文件即可。得到新的APK也叫做脱壳程序APK，它已经不是一个完整意义上的APK程序了，它的主要工作是：负责解密源程序APK，然后加载APK，让其正常运行起来。
在这个过程中需要了解的知识是：如何将源程序APK和壳程序APK进行合并
这需要了解DEX文件的格式，下面简单介绍一下：

address	name	size/byte	value
0	magic[8]	8	0x6465 780a 3033 3500
8	checksum	4	0xc136 5e17
c	signature[20]	20
20	file_size	4	0x02e4
24	header_size	4	0x70
28	endian_tag	4	0x12345678
2C	link_size	4	0x00
30	link_off	4	0x00
34	map_off	4	0x0244
38	string_ids_size	4	0x0e
3c	string_ids_off	4	0x70
40	type_ids_size	4	0x07
44	type_ids_off	4	0xa8
48	proto_ids_size	4	0x03
4C	proto_ids_off	4	0xc4
50	field_ids_size	4	0x01
54	field_ids_off	4	0xe8
58	method_ids_size	4	0x04
5C	method_ids_off	4	0xf0
60	class_defs_size	4	0x01
64	class_defs_off	4	0x0110
68	data_size	4	0x01b4
6C	data_off	4	0x0130

现在只要关注其中三个部分：

• checksum（文件校验码）使用alder32算法校验文件，除去magic、checksum外余下的所有文件区域，用于检查文件错误。
• signature 使用SHA-1算法hash出去magic、checksum和signature外余下的所有文件区域，用于唯一识别本文件。
• file_size DEX文件大小。

我们需要将加密之后的源程序APK文件写入到DEX中，那么就需要修改checksum，因为它的值和文件内容有关。signature也是一样，也是唯一识别文件的算法，还有DEX文件的大小。
还需要一个操作，就是标注加密之后的源程序APK文件的大小，因为运行解密的时候，需要知道APK的大小，才能正确得到源程序APK。这个值直接放到文件的末尾就可以了。
修改之后的DEX文件的格式如下：

知道了原理，下面就是代码实现了。这里有三个工程：

• 源程序项目（需要加密的APK）
• 壳项目（解密源程序APK和加载APK）
• 对源APK进行加密和壳项目的DEX的合并

项目案例

下面先来看一下源程序
1.需要加密的源程序项目：SourceApk

需要一个Application类，这个到后面说为什么需要：
MyApplication.java

package com.example.sourceapk;
public class MyApplication extends Application {
    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        Log.i("demo", "source apk onCreate:" + this);
    }
}

就是打印一下onCreate方法。
MainActivity.java

package com.example.sourceapk;

public class MainActivity extends Activity {

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        
        TextView content = new TextView(this);
        content.setText("I am Source Apk");
        content.setOnClickListener(new OnClickListener(){
            @Override
            public void onClick(View arg0) {
                Intent intent = new Intent(MainActivity.this, SubActivity.class);
                startActivity(intent);
            }});
        setContentView(content);
        
        Log.i("demo", "app:"+getApplicationContext());   
    }
}

2.加壳程序项目：DexPackTool

加壳程序其实就是一个Java工程，它的工作就是加密源程序APK，然后将其写入到壳程序的DEX文件里，修改文件头，得到一个新的DEX文件。
看一下代码：

package com.example.packdex;

public class mymain {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            File payloadSrcFile = new File("files/SourceApk.apk");   // 需要加壳的源程序
            System.out.println("apk size:"+payloadSrcFile.length());
            File packDexFile = new File("files/SourceApk.dex");  // 壳程序dex
            byte[] payloadArray = encrpt(readFileBytes(payloadSrcFile)); // 以二进制形式读出源apk，并进行加密处理
            byte[] packDexArray = readFileBytes(packDexFile); // 以二进制形式读出dex
            /* 合并文件 */
            int payloadLen = payloadArray.length;
            int packDexLen = packDexArray.length;
            int totalLen = payloadLen + packDexLen + 4; // 多出4字节是存放长度的
            byte[] newdex = new byte[totalLen]; // 申请了新的长度
            // 添加解壳代码
            System.arraycopy(packDexArray, 0, newdex, 0, packDexLen); // 先拷贝dex内容
            // 添加加密后的解壳数据
            System.arraycopy(payloadArray, 0, newdex, packDexLen, payloadLen); // 再在dex内容后面拷贝apk的内容
            // 添加解壳数据长度
            System.arraycopy(intToByte(payloadLen), 0, newdex, totalLen-4, 4); // 最后4字节为长度
            // 修改DEX file size文件头
            fixFileSizeHeader(newdex);
            // 修改DEX SHA1 文件头
            fixSHA1Header(newdex);
            // 修改DEX CheckSum文件头
            fixCheckSumHeader(newdex);

            String str = "files/classes.dex"; // 创建一个新文件
            File file = new File(str);
            if (!file.exists()) {
                file.createNewFile();
            }
            
            FileOutputStream localFileOutputStream = new FileOutputStream(str);
            localFileOutputStream.write(newdex); // 将新计算出的二进制dex数据写入文件
            localFileOutputStream.flush();
            localFileOutputStream.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    // 直接返回数据，读者可以添加自己加密方法
    private static byte[] encrpt(byte[] srcdata){
        for (int i = 0; i < srcdata.length; i++) {
            srcdata[i] = (byte)(0xFF ^ srcdata[i]);
        }
        return srcdata;
    }
    ...
}

加密算法很简单，只是对每个字节进行异或一下。

这里是为了简单，所以就用了很简单的加密算法，其实为了增加破解难度，我们应该使用更高效的加密算法，同时最好将加密操作放到native层去做。

这里需要两个输入文件：

• 源程序APK文件：SourceApk.apk
• 壳程序的DEX文件：SourceApk.dex

第一个文件就是源程序项目编译之后的APK文件，第二个文件是下面要讲的第三个项目：壳程序项目中的classes.dex文件，修改名称之后得到。
3.壳程序项目：PackApk

先来了解一下壳程序项目的工作：

• 通过反射置换android.app.ActivityThread中的mClassLoader为加载解密出APK的DexClassLoader，该DexClassLoader一方面加载了源程序，另一方面以原mClassLoader为父节点，这就保证即加载了源程序，又没有放弃原先加载的资源与系统代码。
  关于这部分内容不了解的可以看一下Android动态加载之免安装运行程序这篇文章。
• 找到源程序的Application，通过反射建立并运行。
  这里需要注意的是，我们现在是加载一个完整的APK，让他运行起来。一个APK运行的时候都是有一个Application对象的，这个也是一个程序运行之后的全局类，所以我们必须找到解密之后的源程序APK的Application类，运行它的onCreate方法，这样源程序APK才开始它的运行生命周期。后面会说如何得到源程序APK的Application类：使用meta标签进行设置。

下面看一下整体流程：

下面看一下代码：
ProxyApplication.java

1. 得到壳程序APK中的DEX文件，然后从这个文件中得到源程序APK进行解密、加载

   // 这是context赋值
   @Override
   protected void attachBaseContext(Context base) {
       super.attachBaseContext(base);
       try {
           // 创建两个文件夹payload_odex、payload_lib，私有的，可写的文件目录
           File odex = this.getDir("payload_odex", MODE_PRIVATE);
           File libs = this.getDir("payload_lib", MODE_PRIVATE);
           odexPath = odex.getAbsolutePath();
           libPath = libs.getAbsolutePath();
           apkFileName = odex.getAbsolutePath() + "/payload.apk";
           File dexFile = new File(apkFileName);
           Log.i("demo", "apk size:"+dexFile.length());
           if (!dexFile.exists())
           {
               dexFile.createNewFile();  //在payload_odex文件夹内，创建payload.apk
               // 读取程序classes.dex文件
               byte[] dexdata = this.readDexFileFromApk();
               
               // 分离出解壳后的apk文件已用于动态加载
               this.splitPayLoadFromDex(dexdata);
           }
           // 配置动态加载环境
           Object currentActivityThread = RefInvoke.invokeStaticMethod(
                   "android.app.ActivityThread", "currentActivityThread",
                   new Class[] {}, new Object[] {});//获取主线程对象 
           String packageName = this.getPackageName();//当前apk的包名
           ArrayMap mPackages = (ArrayMap) RefInvoke.getFieldOjbect(
                   "android.app.ActivityThread", currentActivityThread,
                   "mPackages");
           WeakReference wr = (WeakReference) mPackages.get(packageName);
           // 创建被加壳apk的DexClassLoader对象  加载apk内的类和本地代码（c/c++代码）
           DexClassLoader dLoader = new DexClassLoader(apkFileName, odexPath,
                   libPath, (ClassLoader) RefInvoke.getFieldOjbect(
                           "android.app.LoadedApk", wr.get(), "mClassLoader"));
           //把当前进程的mClassLoader设置成了被加壳apk的DexClassLoader
           RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.LoadedApk", "mClassLoader",
                   wr.get(), dLoader);
           
           Log.i("demo","classloader:"+dLoader);
           try{
               Object actObj = dLoader.loadClass("com.example.sourceapk.MainActivity");
               Log.i("demo", "actObj:"+actObj);
           }catch(Exception e){
               Log.i("demo", "activity:"+Log.getStackTraceString(e));
           }
       } catch (Exception e) {
           Log.i("demo", "error:"+Log.getStackTraceString(e));
           e.printStackTrace();
       }
   }

   这里需要注意的一个问题，就是我们需要找到一个时机，就是在壳程序还没有运行起来的时候，来加载源程序的APK，执行它的onCreate方法，那么这个时机不能太晚，不然的话，就是运行壳程序，而不是源程序了。查看源码我们知道。Application中有一个方法：attachBaseContext这个方法，它在Application的onCreate方法执行前就会执行了，所以我们的工作就需要在这里进行。
   A) 从APK中获取到DEX文件

   /**
    * 从apk包里面获取dex文件内容（byte）
    * @return
    * @throws IOException
    */
   private byte[] readDexFileFromApk() throws IOException {
       ByteArrayOutputStream dexByteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
       ZipInputStream localZipInputStream = new ZipInputStream(
               new BufferedInputStream(new FileInputStream(
                       this.getApplicationInfo().sourceDir)));
       while (true) {
           ZipEntry localZipEntry = localZipInputStream.getNextEntry();
           if (localZipEntry == null) {
               localZipInputStream.close();
               break;
           }
           if (localZipEntry.getName().equals("classes.dex")) {
               byte[] arrayOfByte = new byte[1024];
               while (true) {
                   int i = localZipInputStream.read(arrayOfByte);
                   if (i == -1)
                       break;
                   dexByteArrayOutputStream.write(arrayOfByte, 0, i);
               }
           }
           localZipInputStream.closeEntry();
       }
       localZipInputStream.close();
       return dexByteArrayOutputStream.toByteArray();
   }

   B) 从壳程序DEX中得到源程序APK文件

   /**
    * 释放被加壳的apk文件，so文件
    * @param data
    * @throws IOException
    */
   private void splitPayLoadFromDex(byte[] apkdata) throws IOException {
       int ablen = apkdata.length;
       //取被加壳apk的长度   这里的长度取值，对应加壳时长度的赋值都可以做些简化
       byte[] dexlen = new byte[4];
       System.arraycopy(apkdata, ablen - 4, dexlen, 0, 4);
       ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(dexlen);
       DataInputStream in = new DataInputStream(bais);
       int readInt = in.readInt();
       System.out.println(Integer.toHexString(readInt));
       byte[] newdex = new byte[readInt];
       //把被加壳的源程序apk内容拷贝到newdex中
       System.arraycopy(apkdata, ablen - 4 - readInt, newdex, 0, readInt);
       //这里应该加上对于apk的解密操作，若加壳是加密处理的话
   
       // 对源程序Apk进行解密
       newdex = decrypt(newdex);
       
       // 写入apk文件   
       File file = new File(apkFileName);
       try {
           FileOutputStream localFileOutputStream = new FileOutputStream(file);
           localFileOutputStream.write(newdex);
           localFileOutputStream.close();
       } catch (IOException localIOException) {
           throw new RuntimeException(localIOException);
       }
       
       // 分析被加壳的apk文件
       ZipInputStream localZipInputStream = new ZipInputStream(
               new BufferedInputStream(new FileInputStream(file)));
       while (true) {
           ZipEntry localZipEntry = localZipInputStream.getNextEntry(); // 这个也遍历子目录
           if (localZipEntry == null) {
               localZipInputStream.close();
               break;
           }
           // 取出被加壳apk用到的so文件，放到libPath中（data/data/包名/payload_lib)
           String name = localZipEntry.getName();
           if (name.startsWith("lib/") && name.endsWith(".so")) {
               File storeFile = new File(libPath + "/"
                       + name.substring(name.lastIndexOf('/')));
               storeFile.createNewFile();
               FileOutputStream fos = new FileOutputStream(storeFile);
               byte[] arrayOfByte = new byte[1024];
               while (true) {
                   int i = localZipInputStream.read(arrayOfByte);
                   if (i == -1)
                       break;
                   fos.write(arrayOfByte, 0, i);
               }
               fos.flush();
               fos.close();
           }
           localZipInputStream.closeEntry();
       }
       localZipInputStream.close();
   }

   C) 解密源程序APK

   //直接返回数据，读者可以添加自己解密方法
   private byte[] decrypt(byte[] srcdata) {
       for(int i=0;i<srcdata.length;i++){
           srcdata[i] = (byte)(0xFF ^ srcdata[i]);
       }
       return srcdata;
   }

2. 找到源程序的Application程序，让其运行

   @Override
   public void onCreate() {
       {
           //loadResources(apkFileName);
           Log.i("demo", "onCreate");
           // 如果源应用配置有Appliction对象，则替换为源应用Applicaiton，以便不影响源程序逻辑。
           String appClassName = null;
           try {
               ApplicationInfo ai = this.getPackageManager()
                       .getApplicationInfo(this.getPackageName(),
                               PackageManager.GET_META_DATA);
               Bundle bundle = ai.metaData;
               if (bundle != null && bundle.containsKey("APPLICATION_CLASS_NAME")) {
                   appClassName = bundle.getString("APPLICATION_CLASS_NAME");//className 是配置在xml文件中的。
               } else {
                   Log.i("demo", "have no application class name");
                   return;
               }
           } catch (NameNotFoundException e) {
               Log.i("demo", "error:"+Log.getStackTraceString(e));
               e.printStackTrace();
           }
           //有值的话调用该Applicaiton
           Object currentActivityThread = RefInvoke.invokeStaticMethod(
                   "android.app.ActivityThread", "currentActivityThread",
                   new Class[] {}, new Object[] {});
           Object mBoundApplication = RefInvoke.getFieldOjbect(
                   "android.app.ActivityThread", currentActivityThread,
                   "mBoundApplication");
           Object loadedApkInfo = RefInvoke.getFieldOjbect(
                   "android.app.ActivityThread$AppBindData",
                   mBoundApplication, "info");
           //把当前进程的mApplication 设置成了null
           RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.LoadedApk", "mApplication",
                   loadedApkInfo, null);
           Object oldApplication = RefInvoke.getFieldOjbect(
                   "android.app.ActivityThread", currentActivityThread,
                   "mInitialApplication");
           //http://www.codeceo.com/article/android-context.html
           ArrayList<Application> mAllApplications = (ArrayList<Application>) RefInvoke
                   .getFieldOjbect("android.app.ActivityThread",
                           currentActivityThread, "mAllApplications");
           mAllApplications.remove(oldApplication); // 删除oldApplication
           
           ApplicationInfo appinfo_In_LoadedApk = (ApplicationInfo) RefInvoke
                   .getFieldOjbect("android.app.LoadedApk", loadedApkInfo,
                           "mApplicationInfo");
           ApplicationInfo appinfo_In_AppBindData = (ApplicationInfo) RefInvoke
                   .getFieldOjbect("android.app.ActivityThread$AppBindData",
                           mBoundApplication, "appInfo");
           appinfo_In_LoadedApk.className = appClassName;
           appinfo_In_AppBindData.className = appClassName;
           Application app = (Application) RefInvoke.invokeMethod(
                   "android.app.LoadedApk", "makeApplication", loadedApkInfo,
                   new Class[] { boolean.class, Instrumentation.class },
                   new Object[] { false, null }); // 执行 makeApplication（false,null）
           RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.ActivityThread",
                   "mInitialApplication", currentActivityThread, app);
   
           ArrayMap mProviderMap = (ArrayMap) RefInvoke.getFieldOjbect(
                   "android.app.ActivityThread", currentActivityThread,
                   "mProviderMap");
           Iterator it = mProviderMap.values().iterator();
           while (it.hasNext()) {
               Object providerClientRecord = it.next();
               Object localProvider = RefInvoke.getFieldOjbect(
                       "android.app.ActivityThread$ProviderClientRecord",
                       providerClientRecord, "mLocalProvider");
               RefInvoke.setFieldOjbect("android.content.ContentProvider",
                       "mContext", localProvider, app);
           }
           Log.i("demo", "app:"+app);
           app.onCreate();
       }
   }

   直接在壳程序的Application中的onCreate方法中进行就可以了。这里还可以看到是通过AndroidManifest.xml中的meta标签获取源程序APK中的Application对象的。
   下面来看一下AndroidManifest.xml文件中的内容：

   <application
       android:allowBackup="true"
       android:icon="@drawable/ic_launcher"
       android:label="@string/app_name"
       android:name="com.example.packapk.ProxyApplication">
       
       <meta-data android:name="APPLICATION_CLASS_NAME" android:value="com.example.sourceapk.MyApplication"/>

   这里我们定义了源程序APK的Application类名。
   项目下载

运行程序

下面就看看程序的运行步骤：

• 第一步：得到源程序APK文件和壳程序的DEX文件
  运行源程序和壳程序项目，之后得到这两个文件（将壳程序的classes.dex文件改名为SourceApk.dex），然后使用加密工具进行加壳。
• 第二步：替换壳程序中的classes.dex文件
  我们在第一步中得到加壳之后的classes.dex文件之后，将其与PackApk.apk中的原classes.dex文件替换。
• 第三步：在第二步的时候得到替换之后的PackApk.apk文件，这个文件因为被修改了，所以我们需要重新对它签名，不然运行也是报错的。
  签名之后的文件就可以运行了，效果如下：
  

reference
http://blog.csdn.net/jiangwei0910410003/article/details/48415225/