为Android的apk应用程序文件加壳以防止反编译的教程

一、什么是加壳？
加壳是在二进制的程序中植入一段代码，在运行的时候优先取得程序的控制权，做一些额外的工作。大多数病毒就是基于此原理。

二、加壳作用
加壳的程序可以有效阻止对程序的反汇编分析，以达到它不可告人的目的。这种技术也常用来保护软件版权，防止被软件破解。

三、Android Dex文件加壳原理
PC平台现在已存在大量的标准的加壳和解壳工具，但是Android作为新兴平台还未出现APK加壳工具。Android Dex文件大量使用引用给加壳带来了一定的难度，但是从理论上讲，Android APK加壳也是可行的。
在这个过程中，牵扯到三个角色：
1、加壳程序：加密源程序为解壳数据、组装解壳程序和解壳数据
2、解壳程序：解密解壳数据，并运行时通过DexClassLoader动态加载
3、源程序：需要加壳处理的被保护代码
根据解壳数据在解壳程序DEX文件中的不同分布，本文将提出两种Android Dex加壳的实现方案。

解壳数据位于解壳程序文件尾部：该种方式简单实用，合并后的DEX文件结构如下。

四、加壳程序工作流程：
1、加密源程序APK文件为解壳数据
2、把解壳数据写入解壳程序Dex文件末尾，并在文件尾部添加解壳数据的大小。
3、修改解壳程序DEX头中checksum、signature 和file_size头信息。
4、修改源程序AndroidMainfest.xml文件并覆盖解壳程序AndroidMainfest.xml文件。

五、解壳DEX程序工作流程：
1、读取DEX文件末尾数据获取借壳数据长度。
2、从DEX文件读取解壳数据，解密解壳数据。以文件形式保存解密数据到a.APK文件
3、通过DexClassLoader动态加载a.apk。

解壳数据位于解壳程序文件头
该种方式相对比较复杂， 合并后DEX文件结构如下：

六、加壳程序工作流程：
1、加密源程序APK文件为解壳数据
2、计算解壳数据长度，并添加该长度到解壳DEX文件头末尾，并继续解壳数据到文件头末尾。
（插入数据的位置为0x70处）
3、修改解壳程序DEX头中checksum、signature、file_size、header_size、string_ids_off、type_ids_off、proto_ids_off、field_ids_off、
method_ids_off、class_defs_off和data_off相关项。  分析map_off 数据，修改相关的数据偏移量。 
4、修改源程序AndroidMainfest.xml文件并覆盖解壳程序AndroidMainfest.xml文件。

七、加壳程序流程及代码实现
1、加密源程序APK为解壳数据
2、把解壳数据写入解壳程序DEX文件末尾，并在文件尾部添加解壳数据的大小。
3、修改解壳程序DEX头中checksum、signature 和file_size头信息。

代码实现如下：

package com.android.dexshell;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.zip.Adler32; 

public class DexShellTool {
 /**
  * @param args
  */
 public static void main(String[] args) {
  // TODO Auto-generated method stub
  try {
   File payloadSrcFile = new File("g:/payload.apk");
   File unShellDexFile = new File("g:/unshell.dex");
   byte[] payloadArray = encrpt(readFileBytes(payloadSrcFile));
   byte[] unShellDexArray = readFileBytes(unShellDexFile);
   int payloadLen = payloadArray.length;
   int unShellDexLen = unShellDexArray.length;
   int totalLen = payloadLen + unShellDexLen +4;
   byte[] newdex = new byte[totalLen];
   //添加解壳代码
   System.arraycopy(unShellDexArray, 0, newdex, 0, unShellDexLen);
   //添加加密后的解壳数据
   System.arraycopy(payloadArray, 0, newdex, unShellDexLen,
     payloadLen);
   //添加解壳数据长度
   System.arraycopy(intToByte(payloadLen), 0, newdex, totalLen-4, 4);
      //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 = "g:/classes.dex";
   File file = new File(str);
   if (!file.exists()) {
    file.createNewFile();
   } 

   FileOutputStream localFileOutputStream = new FileOutputStream(str);
   localFileOutputStream.write(newdex);
   localFileOutputStream.flush();
   localFileOutputStream.close(); 

  } catch (Exception e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   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){
  return srcdata;
 } 

 private static void fixCheckSumHeader(byte[] dexBytes) {
  Adler32 adler = new Adler32();
  adler.update(dexBytes, 12, dexBytes.length - 12);
  long value = adler.getValue();
  int va = (int) value;
  byte[] newcs = intToByte(va);
  byte[] recs = new byte[4];
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
   recs[i] = newcs[newcs.length - 1 - i];
   System.out.println(Integer.toHexString(newcs[i]));
  }
  System.arraycopy(recs, 0, dexBytes, 8, 4);
  System.out.println(Long.toHexString(value));
  System.out.println();
 } 

 public static byte[] intToByte(int number) {
  byte[] b = new byte[4];
  for (int i = 3; i >= 0; i--) {
   b[i] = (byte) (number % 256);
   number >>= 8;
  }
  return b;
 } 

 private static void fixSHA1Header(byte[] dexBytes)
   throws NoSuchAlgorithmException {
  MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
  md.update(dexBytes, 32, dexBytes.length - 32);
  byte[] newdt = md.digest();
  System.arraycopy(newdt, 0, dexBytes, 12, 20);
  String hexstr = "";
  for (int i = 0; i < newdt.length; i++) {
   hexstr += Integer.toString((newdt[i] & 0xff) + 0x100, 16)
     .substring(1);
  }
  System.out.println(hexstr);
 } 

 private static void fixFileSizeHeader(byte[] dexBytes) { 

  byte[] newfs = intToByte(dexBytes.length);
  System.out.println(Integer.toHexString(dexBytes.length));
  byte[] refs = new byte[4];
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
   refs[i] = newfs[newfs.length - 1 - i];
   System.out.println(Integer.toHexString(newfs[i]));
  }
  System.arraycopy(refs, 0, dexBytes, 32, 4);
 } 

 private static byte[] readFileBytes(File file) throws IOException {
  byte[] arrayOfByte = new byte[1024];
  ByteArrayOutputStream localByteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
  FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
  while (true) {
   int i = fis.read(arrayOfByte);
   if (i != -1) {
    localByteArrayOutputStream.write(arrayOfByte, 0, i);
   } else {
    return localByteArrayOutputStream.toByteArray();
   }
  }
 } 

}

八、解壳程序流程及代码实现
在解壳程序的开发过程中需要解决如下几个关键的技术问题：
1.解壳代码如何能够第一时间执行？
Android程序由不同的组件构成，系统在有需要的时候启动程序组件。因此解壳程序必须在Android系统启动组件之前运行，完成对解壳数据的解壳及APK文件的动态加载，否则会使程序出现加载类失败的异常。
Android开发者都知道Applicaiton做为整个应用的上下文，会被系统第一时间调用，这也是应用开发者程序代码的第一执行点。因此通过对AndroidMainfest.xml的application的配置可以实现解壳代码第一时间运行。

<application
 android:icon="@drawable/ic_launcher"
 android:label="@string/app_name"
 android:theme="@style/AppTheme" android:name=" 

</application>

2.如何替换回源程序原有的Application?
当在AndroidMainfest.xml文件配置为解壳代码的Application时。源程序原有的Applicaiton将被替换，为了不影响源程序代码逻辑，我们需要              在解壳代码运行完成后，替换回源程序原有的Application对象。我们通过在AndroidMainfest.xml文件中配置原有Applicaiton类信息来达到我们              的目的。解壳程序要在运行完毕后通过创建配置的Application对象，并通过反射修改回原Application。

<application
 android:icon="@drawable/ic_launcher"
 android:label="@string/app_name"
 android:theme="@style/AppTheme" android:name="
</application>

3.如何通过DexClassLoader实现对apk代码的动态加载。
我们知道DexClassLoader加载的类是没有组件生命周期的，也就是说即使DexClassLoader通过对APK的动态加载完成了对组件类的加载，当系统启动该组件时，还会出现加载类失败的异常。为什么组件类被动态加载入虚拟机，但系统却出现加载类失败呢？
通过查看Android源代码我们知道组件类的加载是由另一个ClassLoader来完成的，DexClassLoader和系统组件ClassLoader并不存在关系，系统组件ClassLoader当然找不到由DexClassLoader加载的类，如果把系统组件ClassLoader的parent修改成DexClassLoader，我们就可以实现对apk代码的动态加载。

4.如何使解壳后的APK资源文件被代码动态引用。
代码默认引用的资源文件在最外层的解壳程序中，因此我们要增加系统的资源加载路径来实现对借壳后APK文件资源的加载。

解壳实现代码：

package com.android.dexunshell; 

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.DataInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.lang.ref.WeakReference;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.zip.ZipEntry;
import java.util.zip.ZipInputStream; 

import dalvik.system.DexClassLoader;
import android.app.Application;
import android.content.pm.ApplicationInfo;
import android.content.pm.PackageManager;
import android.content.pm.PackageManager.NameNotFoundException;
import android.os.Bundle; 

public class ProxyApplication extends Application { 

 private static final String appkey = "APPLICATION_CLASS_NAME";
 private String apkFileName;
 private String odexPath;
 private String libPath;
 @Override
 public void onCreate() {
  // TODO Auto-generated method stub
  super.onCreate();
  try {
   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);
   if(!dexFile.exists())
    dexFile.createNewFile();
   //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
   this.configApplicationEnv(); 

  } catch (Exception e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
 } 

 private void configApplicationEnv() throws NameNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, ClassNotFoundException, IOException{ 

  Object currentActivityThread = RefInvoke.invokeStaticMethod("android.app.ActivityThread", "currentActivityThread", new Class[]{}, new Object[]{});
  HashMap mPackages = (HashMap)RefInvoke.getFieldOjbect("android.app.ActivityThread", currentActivityThread, "mPackages");
  //替换组件类加载器为DexClassLoader，已使动态加载代码具有组件生命周期
  WeakReference wr = (WeakReference) mPackages.get(this.getPackageName());
  DexClassLoader dLoader = new DexClassLoader(apkFileName,
    odexPath, libPath, (ClassLoader) RefInvoke.getFieldOjbect("android.app.LoadedApk", wr.get(), "mClassLoader"));
  RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.LoadedApk", "mClassLoader", wr.get(), dLoader); 

  //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。
  ApplicationInfo appInfo = this.getPackageManager().getApplicationInfo(this.getPackageName(),PackageManager.GET_META_DATA);
  Bundle bundle = appInfo.metaData;
  if(bundle != null && bundle.containsKey(appkey)){ 

   String appClassName = bundle.getString(appkey);
   Application app = (Application)dLoader.loadClass(appClassName).newInstance();
   RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.ContextImpl", "mOuterContext", this.getBaseContext(), app);
   RefInvoke.setFieldOjbect("android.content.ContextWrapper", "mBase", app, this.getBaseContext());
   Object mBoundApplication = RefInvoke.getFieldOjbect("android.app.ActivityThread", currentActivityThread, "mBoundApplication");
   Object info = RefInvoke.getFieldOjbect("android.app.ActivityThread$AppBindData", mBoundApplication, "info");
   RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.LoadedApk", "mApplication", info, app);
   Object oldApplication = RefInvoke.getFieldOjbect("android.app.ActivityThread", currentActivityThread, "mInitialApplication");
   RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.ActivityThread", "mInitialApplication", currentActivityThread, app);
   ArrayList<Application> mAllApplications = (ArrayList<Application>)RefInvoke.getFieldOjbect("android.app.ActivityThread", currentActivityThread, "mAllApplications");
   mAllApplications.remove(oldApplication);
   mAllApplications.add(app);
   HashMap mProviderMap = (HashMap) 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.ProviderClientRecord", providerClientRecord, "mLocalProvider");
    RefInvoke.setFieldOjbect("android.content.ContentProvider", "mContext", localProvider, app);
   }
   RefInvoke.invokeMethod(appClassName, "onCreate", app, new Class[]{}, new Object[]{});
  }
 } 

 private void splitPayLoadFromDex(byte[] data) throws IOException{
  byte[] apkdata = decrypt(data);
  int ablen = apkdata.length;
  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];
  System.arraycopy(apkdata, ablen - 4 - readInt, newdex, 0, readInt);
  File file = new File(apkFileName);
  try {
   FileOutputStream localFileOutputStream = new FileOutputStream(file);
   localFileOutputStream.write(newdex);
   localFileOutputStream.close(); 

  } catch (IOException localIOException) {
   throw new RuntimeException(localIOException);
  } 

  ZipInputStream localZipInputStream = new ZipInputStream(
    new BufferedInputStream(new FileInputStream(file)));
  while (true) {
   ZipEntry localZipEntry = localZipInputStream.getNextEntry();
   if (localZipEntry == null) {
    localZipInputStream.close();
    break;
   }
   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();  

 } 

 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();
 } 

 ////直接返回数据，读者可以添加自己解密方法
 private byte[] decrypt(byte[] data){
  return data;
 }
}

RefInvoke为反射调用工具类：

package com.android.dexunshell; 

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method; 

public class RefInvoke { 

 public static Object invokeStaticMethod(String class_name, String method_name, Class[] pareTyple, Object[] pareVaules){ 

  try {
   Class obj_class = Class.forName(class_name);
   Method method = obj_class.getMethod(method_name,pareTyple);
   return method.invoke(null, pareVaules);
  } catch (SecurityException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalArgumentException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalAccessException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (NoSuchMethodException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (InvocationTargetException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (ClassNotFoundException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
  return null; 

 } 

 public static Object invokeMethod(String class_name, String method_name, Object obj ,Class[] pareTyple, Object[] pareVaules){ 

  try {
   Class obj_class = Class.forName(class_name);
   Method method = obj_class.getMethod(method_name,pareTyple);
   return method.invoke(obj, pareVaules);
  } catch (SecurityException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalArgumentException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalAccessException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (NoSuchMethodException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (InvocationTargetException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (ClassNotFoundException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
  return null; 

 } 

 public static Object getFieldOjbect(String class_name,Object obj, String filedName){
  try {
   Class obj_class = Class.forName(class_name);
   Field field = obj_class.getDeclaredField(filedName);
   field.setAccessible(true);
   return field.get(obj);
  } catch (SecurityException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (NoSuchFieldException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalArgumentException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalAccessException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (ClassNotFoundException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
  return null; 

 } 

 public static Object getStaticFieldOjbect(String class_name, String filedName){ 

  try {
   Class obj_class = Class.forName(class_name);
   Field field = obj_class.getDeclaredField(filedName);
   field.setAccessible(true);
   return field.get(null);
  } catch (SecurityException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (NoSuchFieldException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalArgumentException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalAccessException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (ClassNotFoundException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
  return null; 

 } 

 public static void setFieldOjbect(String classname, String filedName, Object obj, Object filedVaule){
  try {
   Class obj_class = Class.forName(classname);
   Field field = obj_class.getDeclaredField(filedName);
   field.setAccessible(true);
   field.set(obj, filedVaule);
  } catch (SecurityException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (NoSuchFieldException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalArgumentException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalAccessException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (ClassNotFoundException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
 } 

 public static void setStaticOjbect(String class_name, String filedName, Object filedVaule){
  try {
   Class obj_class = Class.forName(class_name);
   Field field = obj_class.getDeclaredField(filedName);
   field.setAccessible(true);
   field.set(null, filedVaule);
  } catch (SecurityException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (NoSuchFieldException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalArgumentException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (IllegalAccessException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  } catch (ClassNotFoundException e) {
   // TODO Auto-generated catch block
   e.printStackTrace();
  }
 } 

}

九、总结
本文代码基本实现了APK文件的加壳及脱壳原理，该代码作为实验代码还有诸多地方需要改进。比如：
1、加壳数据的加密算法的添加。
2、脱壳代码由java语言实现，可通过C代码的实现对脱壳逻辑进行保护，以达到更好的反逆向分析效果。