安卓逆向学习笔记（0）- HelloWorld.apk的文件结构
## 0.什么是apk？apk是AndroidPackage的缩写，即Android应用安装包(apk)。
新建一个安卓工程HelloWorld（本文采用的SDK版本为android 4.4），该工程的源代码结构如图1所示：
图1 HelloWorld源代码的结构
编译运行该工程，我们会在HelloWorld文件夹的bin目录下面得到一个HelloWrold.apk,这个就是我们所要的apk文件。
## 1. apk是怎样练成的
我们在进行安卓应用开发的时候，只需要右击项目 -> Run as -> 1Android Application就可以生成一个apk。看起来这一切都非常简单，但是实际上生成apk的过程是比较复杂的。对于安卓应用开发者来说，我们不需要在意apk的生成过程，但是对于逆向人员来说，了解apk的编译和生成过程是很有必要的，因为这样能够帮助我们更好地了解apk的体系架构。一个apk的生成需要经历几个步骤，中间需要用到很多工具，具体流程如图2所示：
图2 apk的编译和生成过程（图片来源：(http://www.cnblogs.com/devinzhang/archive/2011/12/20/2294686.html)）
## 2.一个apk的文件结构
apk文件实质上是一个.zip格式的压缩包，所以我们可以将HelloWorld.apk修改为HelloWorld.zip。然后用WinRAR或者其他压缩软件打开HelloWorld.zip，我们会看到以下文件结构，如图3所示:
图3 HelloWorld.apk的文件结构
将HelloWorld.zip解压后，我们会得到5个文件（文件夹），如图4所示：
图4 HelloWorld.zip解压缩后得到的文件
下面，我们分别来看一下这5个文件（文件夹）的内容。
### 2.1 AndroidManifest.xml
这里的AndroidManifest.xml就是源代码中的AndroidManifest.xml编译后所得到的文件。AndroidManifest.xml是安卓应用程序的全局配置文件，该文件保存了apk的包名，版本信息，sdk版本，Activity ,Service, Boardcast Receiver, Content Provider等应用组件的配置信息。还有程序所需要的权限也是在AndroidManifest.xml这个文件中声明的。关于AndroidManifest.xml的详细信息，请参考这篇文章：(http://blog.chinaunix.net/uid-9185047-id-3460344.html)
### 2.2 classes.dex
虽然Android开发的源语言是java，但是Android应用程序却不在标准的java虚拟机上运行。Google为Android平台专门设计了一套用于运行Android程序的虚拟机，这就是Dalvik虚拟机（Dalvik Virtual Machine）。而classes.dex就是运行在Dalvik虚拟机上的可执行文件。从图2中可以看出，我们编写的java源代码经过java编译器编译后会生成.class文件；而Android SDK自带的dx工具(dx.bat在\sdk安装目录\sdk\build-tools\android-4.4这条路径下，dx.jar在\sdk安装目录\sdk\build-tools\android-4.4\lib这条路径下)会将这些.class文件转换为classes.dex。值得一提的是，在Android5.0中，Dalvik虚拟机已经被ART虚拟机（Android Runtime）所取代。有兴趣的童靴可以看这篇文章:[ Android ART运行时无缝替换Dalvik虚拟机的过程分析](http://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/18006645)。
虽然在Android5.0中ART虚拟机已经取代了Dalvik虚拟机，但是使用Android5.0 SDK生成的apk与低版本SDK生成的apk相比，二者的文件结构变化不大。采用Android5.0 SDK生成的apk中也有classes.dex这个文件。
### 2.3 resources.arsc
arsc，全称为application resource files，是一个包含了已被编译好的资源的二进制格式文件。我们知道，一个安卓应用程序往往包含了很多的资源（例如：layout文件，图片，字符串，菜单）。那么程序在运行时，是怎么调用这些资源的呢？其实在apk编译和生成过程中（参考图2），AAPT一方面会在源代码中为每个资源文件都赋予一个32位的整数做为标记，这些整数全部保存在R.java这个源文件中，R.java是系统自动生成的，用户是无法对其进行修改的。这里需要注意一点：assets文件夹中的资源文件是不会被编译的，关于assets文件夹与res文件夹的区别，感兴趣的童靴请看这篇文章：(http://blog.csdn.net/zuolongsnail/article/details/6444806) 。另一方面，AAPT会生成一个resources.arsc文件，这个二进制文件包含了所有的资源名字以及标记这些资源的数字。resources.arsc的作用是当app运行时，手机设备通过该文件能够很方便匹配和解析apk中的资源。
### 2.4 res文件夹
apk中的res文件夹由drawable文件夹，layout文件夹，menu文件夹这3个子文件夹组成。其中，drawable文件夹用于存放apk的图片资源，layout文件夹用于存放布局文件，menu文件夹用于存放菜单文件。与原工程项目中的res文件夹相比，apk中的res文件夹少了values这个文件夹。（至于为什么少了values这个文件夹，我也不知道，还请路过的大牛指点一下）
### 2.5 META-INF文件夹
META-INF文件夹存放着apk的签名信息。如果你还不了解安卓签名机制，请看这篇文章：[ Android应用程序签名详解](http://blog.csdn.net/lyq8479/article/details/6401093)
打开META-INF文件夹，可以看到3个文件：CERT.RSA,CERT.SF,MANIFEST.MF。其中CERT.RSA包含了公钥信息和发布机构信息；MANIFEST.MF中保存了除自身以外所有其他文件的SHA-1并进行base64编码后的值（注意：对于xml等文本格式的资源文件，系统先将这些文本文件编译成二进制文件，再获取二进制文件的SHA-1值并进行base64编码）；CERT.SF的生成过程分两步：(1)读取MANIFEST.MF文件的SHA-1，然后将该SHA-1值base64编码后保存为SHA1-Digest-Manifest，所以与MANIFEST.MF文件相比，CERT.SF会多出一个SHA1-Digest-Manifest值，（2）然后再逐个读取MANIFEST.MF中每个资源文件的Name和SHA1-Digest值再添加2个空行后进行SHA-1，将该SHA-1值进行base64编码后依次写到CERT.SF中。是否听得迷迷糊糊，下面小弟就用HelloWorld.apk举个栗子，手动模拟MANIFEST.MF文件生成classes.dex的SHA1-Digest的过程：
（1）通过HashTab插件（该插件下载地址见文章末尾）可以查看到classes.dex文件的SHA-1，如图5所示：
图5 classes.dex文件的SHA-1值
(2)可以得知classes.dex文件的SHA-1值为：AF37C43BD22A4022FA1998F82F08B278B8844EDB（请注意：这是一串16进制数字，不是字符串），然后[在线](http://tomeko.net/online_tools/hex_to_base64.php?lang=en)对该SHA-1值进行base64编码可以得到其对应的base64编码为: rzfEO9IqQCL6GZj4LwiyeLiETts=
打开MANIFEST.MF文件，可以看到classes.dex的SHA1-Digest值为 rzfEO9IqQCL6GZj4LwiyeLiETts= 如图6所示：
图6 MANIFEST.MF中的classes.dex的SHA1-Digest
这与我们所得到的base64编码是一样的，由此可见我们手动生成MANIFEST.MF中classes.dex的SHA1-Digest值是正确的。
下面是手动模拟CERT.SF生成classes.dex的SHA1-Digest的过程：
（1）新建一个文本文件，将MANIFEST.MF中的classes.dex的Name和SHA1-Digest这两行拷贝出来，后面跟上两个空行，保存到文件中，如图7所示：
图7用于保存MANIFEST.MF文件中classes.dex所对应的Name与SHA1-Digest值的文本文件
（2）通过HashTab插件查看该文本文件的SHA-1值，如图8所示：
图8 文本文件的SHA-1值
可以看出该文本文件的SHA-1值为: 3AD0EBD342ABC2CF801CFAACFAAA45334E0A4337， 将该SHA-1值进行base64编码可以得到base64编码值：OtDr00Krws+AHPqs+qpFM04KQzc=
（3）打开CERT.SF文件，我们可以看到在文件中classes.dex对应的SHA1-Digest值为: OtDr00Krws+AHPqs+qpFM04KQzc=
如图9所示：
图9 CERT.SF文件中classes.dex对应的SHA1-Digest值
第（2）步最后得到的base64值与该SHA1-Digest值一致，所以可以证明我们手动模拟生成classes.dex的SHA1-Digest值是正确的。关于这3个文件的详细介绍，有兴趣的童靴请看这篇文章：(http://blog.csdn.net/asmcvc/article/details/9312293)。如果从事安卓逆向，我们必须要清楚一点：没有签名的apk是无法在真机（模拟器）上安装运行的，所以签名文件对apk是很重要的。
## 3.总结
安卓项目的文件结构与安卓apk的文件结构存在着一一对应的关系。安卓应用开发的本质是：将源代码和各种资源文件编译整合成一个apk。安卓逆向的本质是：想办法将apk转化为源代码和资源文件。
简单来说，apk就是一个带有签名的zip格式的压缩包，签名为了保护开发者的权益和标识apk。做为android逆向学习的第一步，了解apk的文件结构和生成过程是很有必要的。
这篇文章总结了很多安卓大牛博客的知识点，主要介绍了HelloWorld.apk的文件结构和生成过程，但是真实的商业apk的文件结构会更复杂，为了提升apk的安全性能，现在很多安卓应用程序的核心代码都采用NDK开发，所以生成的apk中会多出一个lib文件夹用于存放so文件。
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