反编译并且修改Android(安卓)APK包

為了某個實驗的動機，我們評估反編譯 Android 應用程式的可行性，本文即是筆者的心得與實際的範例，僅供參考。就筆者的認知，目前還沒有針對 Android 的 DEX to Java source 反編譯工具，可實際處理一般的 Android 應用程式，多半要繞幾圈，還會得到不甚理想的結果，不過，smali 這個反組譯工具，已是可用了，只是得對付類似 Jasmin 語法的 Dalvik 組合語言。筆者打包了 smali 與 Frozen Bubble for Android，作為示範：

http://0xlab.org/~jserv/dex-dis-example.tar.bz2

在 GNU/Linux 環境中，首先取得 Android SDK，這裡採用 Eclair/2.1，工具執行檔的路徑是 android-sdk-linux_86/tools，將此路徑放入 $PATH 環境變數，如此一來，就可以操作 adb, aapt, apkbuilder 一類的工具程式。筆者提供的套件已包含 Frozen Bubble 執行檔，檔名為 "FrozenBubble-orig.apk"。一旦 Android emulator 啟動後，即可安裝進去執行：(後續的操作也需要 Emulator 持續開啟)

$ adb install -r FrozenBubble-orig.apk

以下是執行畫面：

當然，沒必要讓筆者置喙談如何玩這個經典遊戲，不過我們倒是想更改原本的行為。在進行之前，我們先來複習 Android APK 的建立，參考 " How to build Android application package (.apk) from the command line using the SDK tools + continuously integrated using CruiseControl." 一文，我們可從以下圖表知悉細部的流程：

假設我們完全無法取得原始程式碼，該如何進行呢？沒錯，就透過 smali，簡化繁瑣的流程，筆者包裝為 Makefile，所以只要先解開並反組譯：

$ make extract

這時候會看到兩個目錄：

smali-src : 存放反組譯的程式檔輸出
workspace : 原本 Frozen Bubble 的 Android resource files

二話不說，當然是觀察反組譯的結果：

smali-src$ find
./org/jfedor/frozenbubble/FrozenBubble.smali
./org/jfedor/frozenbubble/R$id.smali
./org/jfedor/frozenbubble/GameView.smali
./org/jfedor/frozenbubble/SoundManager.smali
./org/jfedor/frozenbubble/LaunchBubbleSprite.smali
./org/jfedor/frozenbubble/Compressor.smali
./org/jfedor/frozenbubble/R$attr.smali
./org/jfedor/frozenbubble/BubbleFont.smali
./org/jfedor/frozenbubble/PenguinSprite.smali
./org/jfedor/frozenbubble/GameView$GameThread.smali
./org/jfedor/frozenbubble/BubbleSprite.smali./org/jfedor/frozenbubble/R$string.smali
./org/jfedor/frozenbubble/R$drawable.smali
./org/jfedor/frozenbubble/ImageSprite.smali
./org/jfedor/frozenbubble/BubbleManager.smali
./org/jfedor/frozenbubble/GameScreen.smali
./org/jfedor/frozenbubble/R.smali
./org/jfedor/frozenbubble/R$layout.smali
./org/jfedor/frozenbubble/BmpWrap.smali./org/jfedor/frozenbubble/FrozenGame.smali
./org/jfedor/frozenbubble/Sprite.smali
./org/jfedor/frozenbubble/LevelManager.smali
./org/jfedor/frozenbubble/R$raw.smali

就忠實地依據 Java package 的方式呈現，檔名結尾是 ".smali"。筆者的修改目標是，讓一開始的關卡 (Level) 從第一關直接跳躍到第五關。在 smali 原始程式碼 (注意：這完全不同於 Java 原始程式碼，而是極為貼近 Dalvik VM 所接受的 DEX 檔案的組合語言形式) 搜尋 "Level" 字眼，可發現主要的分佈就落於兩個檔案：

./org/jfedor/frozenbubble/GameView$GameThread.smali
./org/jfedor/frozenbubble/LevelManager.smali

前者就是 org/jfedor/frozenbubble/GameView.java 的編譯輸出，因為是 inner class，獨立編譯出 org/jfedor/frozenbubble/GameView.class$GameThread.smali，由這個 class 命名方式大概就可猜出其重要性，基本上只要能夠控制此 class 的實做，就掌握此 Android 應用程式的行為。而 class LevelManager 顧名思義，看來掌握了遊戲進行的程序控制。先觀察其 method 列表：

smali-src$ grep "\.method" org/jfedor/frozenbubble/LevelManager.smali
.method public constructor <init>([BI)V
.method private getLevel(Ljava/lang/String;)[[B
.method public getCurrentLevel()[[B
.method public getLevelIndex()I
.method public goToFirstLevel()V
.method public goToNextLevel()V.method public restoreState(Landroid/os/Bundle;)V
.method public saveState(Landroid/os/Bundle;)V

倘若我們以 "goToFirstLevel" 一類的關鍵字，在 org/jfedor/frozenbubble/GameView$GameThread.smali 檔案中搜尋，可找出有具體的呼叫行為：

smali-src$ grep -r goToFirstLevel *
org/jfedor/frozenbubble/GameView$GameThread.smali: invoke-virtual {v2}, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;-> goToFirstLevel()V
org/jfedor/frozenbubble/LevelManager.smali:.method public goToFirstLevel()V

由此更確定我們之前的猜想。其中組合語言寫為以下：

move-object/from16 v0, p0

iget-object v0, v0, Lorg/jfedor/frozenbubble/GameView$GameThread;->mLevelManager:Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;

move-object v2, v0

invoke-virtual {v2}, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;->goToFirstLevel()V

不要被貌似複雜的語法嚇到了，基本上掌握 Java 程式語言的原則 "Everything is Object" (不過仍有提供 primitive type)，組合語言仍會作 Java Object 的實體化 (instantialization)，Dalvik 本身是 Register-based Virtual Machine，而扣除 static/class method 外，Java 中所有的 method invocation 多為 virtual function (對應於 C++ 的觀點，才能更具體用機械方式思考)，所以組合語言的指令為 "invoke-virtual" (注意有連字號，此與 Java bytecode 不同)，"{v2}" 表示第一受者的 Register，此為 Object 本體。接著，與 Java bytecode 一樣，"Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;" 就表示 Java 層面的 class "org.jfedor.frozenbubble.LevelManager"，字母 "L" 即為 class 的識別，而 "->" 就很直觀了，自然是 method invocation，所以連貫來看，這一段組合語言的 Java 意思為：

objectLevelManager.goToFirstLevel();

其中 objectLevelManager 是一個 class LevelManager 的實例/實體 (instance)。倘若需要在 method invocation 時，帶入參數，那麼前述的 "{v2}" 一般會被替換為 "{v0, v1, v2, ...} 的 register 列表。關於詳細的狀況，可參考 Dalvik 非官方說明，另外 smali 的 wiki 也提供一些範例，可多加利用。

回到筆者剛剛設定的目標，我們既然知道 class org.jfedor.frozenbubble.GameView$GameThread 掌控了程式處理邏輯，自然一堆變數的傳遞、method 呼叫，都在此進行，那我們先試著用 "level" 字串去搜尋，想辦法找出常數定義，後者在 Dalvik 中，會集中保存於 constant pool 中，而 smali 的組合語言寫法大致是 "const" 開頭的宣告，端看其類型而定。以程式追蹤的目的來說，我們專注於以下兩種：

const-string : primitive string (不同於 java.lang.String) 表示
const/4 : 長度為 4 bytes (32 bit) 的整數表示

字串何其多，依據之前的推測來說，我們要找接近 "LevelManager" 字眼的組合語言程式碼，道理很明顯，從一般 Java programmer 的寫作邏輯去反推。經過一番搜尋，我們找到以下的反組譯程式碼： (位於檔案 org/jfedor/frozenbubble/GameView$GameThread.smali中)

const-string v3, "level"
const/4 v4, 0x0
move-object/from16 v0, v25 move-object v1, v3
move v2, v4
invoke-interface {v0, v1, v2}, Landroid/content/SharedPreferences;->getInt(Ljava/lang/String;I)I
move-result p4
new-instance v3, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;
move-object v0, v3
move-object/from16 v1, v22
move/from16 v2, p4 invoke-direct {v0, v1, v2}, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;-><init>([BI)V

在上述程式碼列表中，"Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;-><init>" 表示呼叫 class LevelManager 的 constructor，也就是 "<init>"。注意到 method invocation 方式就不同了，是 "invoke-direct"，表示 class constructor，而這之前要有 "new-instance v3, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;" 的組合語言指令宣告。

前面談過「倘若需要在 method invocation 時，帶入參數，一般會被替換為 "{v0, v1, v2, ...} 的 register 列表」這樣的概念，我們可推知，Register v1 與 v2 就是實際上 class org.jfedor.frozenbubble.LevelManager 的 constructor 參數。就程式設計的邏輯來看，class GameView 就是依據某個流程，要求 LevelManager 去改變狀態，所以這裡的兩個參數，其實就是初始值，非常的重要。

與 Register v1 相關的組合語言指令有這幾行：(用粗體字標示)

const-string v3, "level"
const/4 v4, 0x0
move-object/from16 v0, v25
move-object v1, v3
move v2, v4
invoke-interface {v0, v1, v2}, Landroid/content/SharedPreferences;->getInt(Ljava/lang/String;I)I
move-result p4
new-instance v3, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;
move-object v0, v3
move-object/from16 v1, v22
move/from16 v2, p4
invoke-direct {v0, v1, v2}, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;-><init>([BI)V

顯然，Register v1 還被帶入到 android.content.Shared.Preference.getInt() method，而更早以前，其內含值被設定為 Register v3 的值，也就是常數字串 (const-string) "level"，這好像與我們的焦點不同。另外，像是 Register v22 這個編號較大的 register，表示 local variable，這點需要多留意，因為 Java 程式設計的規範來說，往往會將程式切割為若干 method，而 method 實做體中，又有極多的 local variable，於是往往可從組合語言反推 Java 原始碼的型態。

那麼，看看 Register v2 吧，同樣用粗體字標示相關的指令：

const-string v3, "level"
const/4 v4, 0x0
move-object/from16 v0, v25
move-object v1, v3
move v2, v4
invoke-interface {v0, v1, v2}, Landroid/content/SharedPreferences;->getInt(Ljava/lang/String;I)I
move-result p4
new-instance v3, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;
move-object v0, v3
move-object/from16 v1, v22
move/from16 v2, p4
invoke-direct {v0, v1, v2}, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;-><init>([BI)V

這個 Register v4 的內含值 "0x0" 會指派到 Register v2 中，而讓我們似乎找到方向了，回頭看看 class org.jfedor.frozenbubble.LevelManager 的 constructor 宣告方式： (之前 grep 結果的第一行)

smali-src$ grep "\.method" org/jfedor/frozenbubble/LevelManager.smali
.method public constructor <init>([BI)V

其中 "public" 是 ACL (存取權限) 的宣告，而 constructor 的符號規範為 "<init>"，注意到括號 "(" 與 ")" 裡面的兩個大寫字母，表示接受兩個參數，對應的型態為：

B : byte
I : int

在 Java 與 Dalvik virtual machine 皆以同樣的形式作宣告，看到這裡，我們實在忍不住要動手修改了，當然，一切都是實驗性質。既然一開啟遊戲，畫面就顯示 Level 1，表示 LevelManager 一開始接受的 level 參數會是 "0"，然後依據 GameView 的邏輯，逐一升級或中斷遊戲進行，那麼，如果要讓遊戲一起動就是 Level 5，是不是要把內含值改為 0x4 即可？也就是 "invoke-direct {v0, v1, v2}, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;-><init>([BI)V" 的 Register v2 當時內含值該為 0x4，不就任務達成了嗎？想到此，不禁會心一笑。

不過，回顧稍早 Register v2 的相關程式碼輸出，其中有兩行需要留意 (以粗體字為主)：

invoke-interface {v0, v1, v2}, Landroid/content/SharedPreferences;->getInt(Ljava/lang/String;I)I
move-result p4
new-instance v3, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;
move-object v0, v3
move-object/from16 v1, v22
move/from16 v2, p4

"p4" 用以保存 method invocation 之後的回傳值，顯然，Register v2 受到 p4 的指派，也就是被更動為 android.content.Shared.Preference.getInt() method 的回傳值，這存在不確定性，於是，我們乾脆一口氣改掉： (修改的部份會用井字號 "#" 作註解)

# Modified from 0x0 to 0x4"
const/4 v4, 0x4
move-object/from16 v0, v25
move-object v1, v3
move v2, v4
# Modified: removed the following 2 lines
# invoke-interface {v0, v1, v2}, Landroid/content/SharedPreferences;->getInt(Ljava/lang/String;I)I
# move-result p4
new-instance v3, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;
move-object v0, v3
move-object/from16 v1, v22
# Modified: removed the following 1 line
# move/from16 v2, p4
invoke-direct {v0, v1, v2}, Lorg/jfedor/frozenbubble/LevelManager;-><init>([BI)V

改好程式，當然要驗證，回到上一層目錄，透過 smali 提供的組譯器，重新產生 Dalvik DEX 輸出，為了簡化流程，筆者把 smali, apkbuilder, aapt, adb install 都一次整合進去，所以會直接讓 Android Emulator 生效，來看看我們的戰果吧：

注意到左下角，這表示我們成功了，完全不用取得 Java 原始程式碼，就可以作反組譯並且修改的動作。

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