Android Dalvik 虚拟机

简介

Android 平台虽然是使用java语言来开发应用程序，但Android程序却不是运行在标准java虚拟机上的。谷歌专门为Android平台设计了一套虚拟机来运行Android程序。它就是Dalvik虚拟机。

特点

* 体积小，占用内存空间小。

* 专有的DEX可执行文件格式，体积更小，执行速度更快。

* 常量池采用32位索引值，寻址类方法名、字段名、常量更快。

* 基于寄存器架构，并拥有一套完整的指令系统。

* 提供了对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全和异常管理以及垃圾回收等重要功能。

* 所有的Android程序都运行在Android系统进程里，每个进程对应着一个Dalvik虚拟机实例。

Dalvik虚拟机与Java虚拟机的区别

1、Java虚拟机运行的是java字节码，Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码。

2、Dalvik 可执行文件体积更小。

3、Java虚拟机与Dalvik虚拟机架构不同。

Dalvik 汇编语言

1、Dalvik指令

指令大多由三个字符组成，前两个是数字，最后一个是字母。

第一个数字是表示指令有多少个16位的字组成。

第二个数字是表示指令最多使用寄存器的个数。特殊标记‘r’标识使用一定范围内的寄存器。

第三个字母为类型吗，表示指令用到的额外的数据的类型。

例如：22x

第一个2表示指令有两个16位字组成

第二个2表示指令使用到2个寄存器

第三个x表示没有使用到额外的数据

2、DEX文件反汇编工具

目前DEX可执行文件主流的反汇编工具有BakSmali与Dedexer。

指令如：

java -jar baksmali.jar -o baksmaliout hello.dex

java -jar ddx.jar -d ddxout hello.dex

3、Dalvik 寄存器

Dalvik虚拟机是作用于特定架构的CPU上运行的，在设计之初采用了ARM架构，ARM架构的CPU本身继承了多个寄存器，Dalvik将部分寄存器映射到了ARM寄存器上，还有一个部分则通过调用栈进行模拟。.

Dalvik虚拟机又是如何虚拟地使用寄存器的呢？Dalvik虚拟机为每个进程维护一个调用栈，这个调用栈其中一个作用就是用来‘虚拟’寄存器。

4、两种不同的寄存器表示方法

v 命名法采用以小写字母 ‘v’开头的方式表示函数中用到的局部变量与参数，所有的寄存器命名从v0开始，依次递增。

p 命名法对函数的局部变量寄存器命名没有影响，它的命名规则：函数中引入的参数命名从p0开始，依次递增。

Dalvik字节码的类型、方法与字段

1、类型

Dalvik字节码只有两种类型，基本类型与引用类型。

2、方法

Dalvik使用方法名、类型参数与返回值来详情描述一个方法。

方法格式如下： Lpackage/name/ObjectName;->MethodName(III)Z

3、字段

Dalvik虚拟机定位字段与字节码静态分析时会用到它。

格式如下：Lpackage/name/ObjectName;->FieldName:Ljava/lang/String;

Dalvik指令集

1、空操作指令的助记符为nop。它的值为00，通常nop指令被用来作对齐代码只用。

2、数据操作指令为move。move 指令根据字节码的大小与类型不同，后面会跟上不同的后缀。

3、返回指令指的是函数结尾时运行的最后一条指令。return-void、return vAA、return-wide vAA、return-object vAA

4、数据定义指令用来定义程序中用到的常量、字符串、类等数据。它的基础字节码为const。如：const/4 vA，#+B

5、锁指令多用在多线程程序中对同一对象的操作。如：

monitor-enter vAA 锁住

monitor-exit vAA 释放

6、实例操作指令包括实例的类型转换、检查以及新建等。

7、数组操作指令包括获取数组长度、新建数组、数组赋值、数组元素取值与赋值等操作。

8、异常指令集中有一条指令用来抛出异常。如：throw vAA

9、跳转指令用于从当前地址跳转到指定的偏移处。如：goto、switch、if

10、比较指令用于对两个寄存器的值进行比较。如：cmpkind vAA，vBB

11、字段操作指令用来对对象实例的字段进行读写操作。如：iinstanceop vA，vB，field@CCCC 与sstaticop vAA，field@BBBB

12、方法调用指令负责调用类实例的方法。它的基础指令为invoke。如：invoke-kind/range {vCCCC..vNNNNN}

13、数据转换指令用于将一种类型的数值转换成另一种类型。如：unop vA，vB

14、数据运算指令包括算术运算指令与逻辑运算指令。如：binop vAA，vBB，vCC 、add-type、sub-type……。

Dalvik指令练习

写一个Dalvik版的Hello World。

1、编写smali文件

.class public LHelloWorld;

.super Ljava/lang/Object;

.method public static main([Ljava/lang/String;)V

    .registers 4

	.parameter

    .prologue

	#空指令

    nop

    nop

    nop

    nop

	#数据定义指令

	const/16 v0, 0x8

	const/4 v1, 0x5

	const/4 v2, 0x3

	#数据操作指令

	move v1, v2

	#数组操作指令

	new-array v0, v0, [I

	array-length v1, v0

	#实例操作指令

	new-instance v1, Ljava/lang/StringBuilder;

	#方法调用指令

	invoke-direct {v1}, Ljava/lang/StringBuilder;-><init>()V

	#跳转指令

	if-nez v0, :cond_0

	goto :goto_0

	:cond_0

	#数据转换指令

	int-to-float v2, v2

	#数据运算指令

	add-float v2, v2, v2

	#比较指令

	cmpl-float v0, v2, v2

	#字段操作指令

	sget-object v0, Ljava/lang/System;->out:Ljava/io/PrintStream;

	const-string v1, "Hello World" #构造字符串

	#方法调用指令

	invoke-virtual {v0, v1}, Ljava/io/PrintStream;->println(Ljava/lang/String;)V

	#返回指令

	:goto_0

    return-void

.end method

2、编译smali文件

java -jar smali.jar -o classes.dex HelloWorld.smali

3、使用虚拟机测试

小结

了解了Android的运行环境Dalvik虚拟机，为以后的Android的逆向分析打下了一个坚实的基础。

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