CTF-All-In-One/doc/1.7.2_dalvik.md
2018-08-05 17:43:10 +08:00

19 KiB
Raw Blame History

1.7.2 Dalvik 指令集

Dalvik 虚拟机

Android 程序运行在 Dalvik 虚拟机中,它与传统的 Java 虚拟机不同完全基于寄存器架构数据通过直接通过寄存器传递大大提高了效率。Dalvik 虚拟机属于 Android 运行时环境,它与一些核心库共同承担 Android 应用程序的运行工作。Dalvik 虚拟机有自己的指令集,即 smali 代码,下面会详细介绍它们。

Dalvik 指令集

指令格式

Dalvik 指令语法由指令的位描述与指令格式标识来决定。

位描述约定如下:

  • 每 16 位使用空格分隔。
  • 每个字母占 4 位,按照顺序从高字节到低字节排列。
  • 顺序采用 A~Z 的单个大写字母作为一个 4 位的操作码op 表示一个 8 位的操作码。
  • ”∅“来表示这字段所有位为0值。

指令格式约定如下:

  • 指令格式标识大多由三个字符组成,前两个是数字,最后一个是字母。
  • 第一个数字表示指令有多少个 16 位的字组成。
  • 第二个数字表示指令最多使用寄存器的个数。
  • 第三个字母为类型码,表示指令用到的额外数据的类型。

寄存器

Dalvik 寄存器都是 32 位的,如果是 64 位的数据,则使用相邻的两个寄存器来表示。

寄存器有两种命名法v 命名法和 p 命名法。如果一个函数使用到 M 个寄存器,其中有 N 个参数,那么参数会使用最后的 N 个寄存器,而局部变量使用从 v0 开始的前 M-N 个寄存器。在 v 命名法中,不管寄存器中是参数还是局部变量,都以 v 开头。而 p 命名法中,参数命名从 p0 开始,依次递增,在代码比较复杂的时候,使用 p 命名法可以清楚地区分开参数和局部变量,大多数工具使用的也是 p 命名法。

类型、方法和字段

Dalvik 字节码只有基本类型和引用类型两种。除了对象类型和数组类型是引用类型外,其余的都是基本类型:

语法 含义
V void
Z boolean
B byte
S short
C char
I int
J long
F float
D double
L 对象类型
[ 数组类型
  • 对象类型格式是 L<包名>/<类名>;,如 String 表示为 Ljava/lang/String;
  • 数组类型格式是 [ 加上类型,如 int[] 表示为 [Iint[][] 表示为 [[I

Dalvik 使用方法名、类型参数和返回值来描述一个方法。方法格式如下:

Lpackage/name/ObjectName;->MethodName(III)Z

例如把下面的 Java 代码转换成 smali

# Java
String method(int, int [][], int, String, Object[])

# smali
.method method(I[[IILjava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
.end method

字段格式如下:

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

空操作指令

空操作指令的助记符为 nop,值为 00通常用于对齐代码。

数据操作指令

数据操作指令为 move,原型为 move destination, source

  • move vA, vBvB -> vA都是 4 位
  • move/from16 vAA, vBBBBvBBBB -> vAA源寄存器 16 位,目的寄存器 8 位
  • move/16 vAAAA, vBBBBvBBBB -> vAAAA都是 16 位
  • move-wide vA, vB4 位的寄存器对赋值,都是 4 位
  • move-wide/from16vAA, vBBBBmove-wide/16 vAAAA, vBBBB:与 move-wide 相同
  • move-object vA, vB:对象赋值,都是 4 位
  • move-object/from16 vAA, vBBBB:对象赋值,源寄存器 16 位,目的寄存器 8 位
  • move-object/16 vAAAA, vBBBB:对象赋值,都是 16 位
  • move-result vAA:将上一个 invoke 类型指令操作的单字非对象结果赋值给 vAA 寄存器
  • move-result-wide vAA:将上一个 invoke 类型指令操作的双字非对象结果赋值给 vAA 寄存器
  • move-result-object vAA:将上一个 invoke 类型指令操作的对象结果赋值给 vAA 寄存器
  • move-exception vAA:保存一个运行时发生的异常到 vAA 寄存器

返回指令

基础字节码为 return

  • return-void:从一个 void 方法返回
  • return vAA:返回一个 32 位非对象类型的值,返回值寄存器位 8 位的寄存器 vAA
  • return-wide vAA:返回一个 64 位非对象类型的值,返回值寄存器为 8 位的 vAA
  • return-object vAA:返回一个对象类型的值,返回值寄存器为 8 位的 vAA

数据定义指令

基础字节码为 const

  • const/4 vA, #+B:将数值符号扩展为 32 位后赋值给寄存器 vA
  • const/16 vAA, #+BBBB:将数值符号扩展为 32 位后赋值给寄存器 vAA
  • const vAA, #+BBBBBBBB:将数值赋值给寄存器 vAA
  • const/high16 vAA, #+BBBB0000:将数值右边零扩展为 32 位后赋值给寄存器 vAA
  • const-wide/16 vAA, #+BBBB:将数值符号扩展为 64 位后赋值给寄存器 vAA
  • const-wide/32 vAA, #+BBBBBBBB:将数值符号扩展为 64 位后赋值给寄存器 vAA
  • const-wide vAA, #+BBBBBBBBBBBBBBBB:将数值赋给寄存器对 vAA
  • const-wide/high16 vAA, #+BBBB000000000000:将数值右边零扩展为 64 位后赋值给寄存器对 vAA
  • const-string vAA, string@BBBB:通过字符串索引构造一个字符串并赋值给寄存器 vAA
  • const-string/jumbo vAA, string@BBBBBBBB:通过字符串索(较大)引构造一个字符串并赋值给寄存器 vAA
  • const-class vAA, type@BBBB:通过类型索引获取一个类型引用并赋值给寄存器 vAA
  • const-class/jumbo vAAAA, type@BBBBBBBB:通过给定的类型索引获取一个类引用并赋值给寄存器 vAAAA。这条指令占用两个字节值为 0x00ff

锁指令

用在多线程程序中对同一对象操作。

  • monitor-enter vAA:为指定的对象获取锁
  • monitor-exit vAA:释放指定的对象的锁

实例操作指令

  • check-cast vAA, type@BBBB
  • check-cast/jumbo vAAAA, type@BBBBBBBB:将 vAA 寄存器中的对象引用转换成指定的类型,如果失败会抛出 ClassCastException 异常。如果类型 B 指定的是基本类型,对于非基本类型的 A 来说,运行始终会失败
  • instance-of vA, vB, type@CCCC
  • instance-of vAAAA, vBBBB, type@CCCCCCCC:判断 vB 寄存器中的对象引用是否可以转换成指定的类型,如果可以 vA 寄存器赋值为 1否则 vA 寄存器赋值为 0
  • new-instance vAA, type@BBBB
  • new-instance vAAAA, type@BBBBBBBB:构造一个指定类型对象的新实例,并将对象引用赋值给 vAA 寄存器,类型符 type 指定的类型不能是数组类

数组操作指令

  • array-length vA, vB获取vB寄存器中数组的长度并将值赋给vA寄存器。
  • new-array vA, vB, type@CCCC
  • new-array/jumbo vAAAA, vBBBB, type@CCCCCCCC构造指定类型type@CCCCCCCC与大小vBBBB的数组并将值赋给 vAAAA 寄存器
  • filled-new-array {vC, vD, vE, vF, vG}, type@BBBB构造指定类型type@BBBB和大小vA的数组并填充数组内容。vA 寄存器是隐含使用的处理指定数组的大小外还指定了参数的个数vC~vG 是使用的参数寄存器列表。
  • filled-new-array/range {vCCCC .. vNNNN}, type@BBBB:同上,只是参数寄存器使用 range 字节码后缀指定了取值范围vC 是第一个参数寄存器N=A+C-1。
  • fill-array-data vAA, +BBBBBBBB用指定的数据来填充数组vAA 寄存器为数组引用,引用必须为基础类型的数组,在指令后面紧跟一个数据表。
  • arrayop vAA, vBB, vCC:对 vBB 寄存器指定的数组元素进行取值和赋值。vCC 寄存器指定数组元素索引vAA 寄存器用来存放读取的或需要设置的数组元素的值。读取元素使用 aget 类指令,元素赋值使用 aput 类指令。

异常指令

  • throw vAA:抛出 vAA 寄存器中指定类型的异常

跳转指令

有三种跳转指令无条件跳转goto、分支跳转switch和条件跳转if

  • goto +AA
  • goto/16 +AAAA
  • goto/32 +AAAAAAAA:无条件跳转到指定偏移处,不能为 0
  • packed-switch vAA, +BBBBBBBB分支跳转指令。vAA 寄存器为 switch 分支中需要判断的值BBBBBBBB 指向一个 packed-switch-payload 格式的偏移表,表中的值是有规律递增的
  • sparse-switch vAA, +BBBBBBBB分支跳转指令。vAA 寄存器为 switch 分支中需要判断的值BBBBBBBB 指向一个 sparse-switch-payload 格式的偏移表,表中的值是无规律的偏移量
  • if-test vA, vB, +CCCC:条件跳转指令。比较 vA 寄存器与 vB 寄存器的值,如果比较结果满足就跳转到 CCCC 指定的偏移处CCCC 不能为 0。if-test 类型的指令有:
    • if-eqif(vA==vB)
    • if-neif(vA!=vB)
    • if-ltif(vA<vB)
    • if-geif(vA>=vB)
    • if-gtif(vA>vB)
    • if-leif(vA<=vB)
  • if-testz vAA, +BBBB:条件跳转指令。拿 vAA 寄存器与 0 比较,如果比较结果满足或值为 0 就跳转到 BBBB 指定的偏移处BBBB 不能为 0。if-testz 类型的指令有:
    • if-eqzif(!vAA)
    • if-nezif(vAA)
    • if-ltzif(vAA<0)
    • if-gezif(vAA>=0)
    • if-gtzif(vAA>0)
    • if-lezif(vAA<=0)

比较指令

对两个寄存器的值进行比较,格式为 cmpkind vAA, vBB, vCC其中 vBB 和 vCC 寄存器是需要比较的两个寄存器或两个寄存器对,比较的结果放到 vAA 寄存器。指令集中共有5条比较指令

  • cmpl-float
  • cmpl-double:如果 vBB 寄存器大于 vCC 寄存器,结果为 -1相等结果为 0小于结果为 1
  • cmpg-float
  • cmpg-double:如果 vBB 寄存器大于 vCC 寄存器,结果为 1相等结果为 0小于结果为 -1
  • cmp-long:如果 vBB 寄存器大于 vCC 寄存器,结果为 1相等结果为 0小于结果为 -1

字段操作指令

用于对对象实例的字段进行读写操作。对普通字段与静态字段操作有两种指令集,分别是 iinstanceop vA, vB, field@CCCCsstaticop vAA, field@BBBB。扩展为 iinstanceop/jumbo vAAAA, vBBBB, field@CCCCCCCsstaticop/jumbo vAAAA, field@BBBBBBBB

普通字段指令的指令前缀为 i,静态字段的指令前缀为 s。字段操作指令后紧跟字段类型的后缀。

方法调用指令

用于调用类实例的方法,基础指令为 invoke,有 invoke-kind {vC, vD, vE, vF, vG}, meth@BBBBinvoke-kind/range {vCCCC .. vNNNN}, meth@BBBB 两类。扩展为 invoke-kind/jumbo {vCCCC .. vNNNN}, meth@BBBBBBBB 这类指令。

根据方法类型的不同,共有如下五条方法调用指令:

  • invoke-virtualinvoke-virtual/range:调用实例的虚方法
  • invoke-superinvoke-super/range:调用实例的父类方法
  • invoke-directinvoke-direct/range:调用实例的直接方法
  • invoke-staticinvoke-static/range:调用实例的静态方法
  • invoke-interfaceinvoke-interface/range:调用实例的接口方法

方法调用的返回值必须使用 move-result* 指令来获取,如:

invoke-static {}, Landroid/os/Parcel;->obtain()Landroid/os/Parcel;
move-result-object v0

数据转换指令

格式为 unop vA, vBvB 寄存器或vB寄存器对存放需要转换的数据转换后结果保存在 vA 寄存器或 vA寄存器对中。

  • 求补
    • neg-int
    • neg-long
    • neg-float
    • neg-double
  • 求反
    • not-int
    • not-long
  • 整型数转换
    • int-to-long
    • int-to-float
    • int-to-double
  • 长整型数转换
    • long-to-int
    • long-to-float
    • long-to-double
  • 单精度浮点数转换
    • float-to-int
    • float-to-long
    • float-to-double
  • 双精度浮点数转换
    • double-to-int
    • double-to-long
    • double-to-float
  • 整型转换
    • int-to-byte
    • int-to-char
    • int-to-short

数据运算指令

包括算术运算符与逻辑运算指令。

数据运算指令有如下四类:

  • binop vAA, vBB, vCC:将 vBB 寄存器与 vCC 寄存器进行运算,结果保存到 vAA 寄存器。以下类似
  • binop/2addr vA, vB
  • binop/lit16 vA, vB, #+CCCC
  • binop/lit8 vAA, vBB, #+CC

第一类指令可归类为:

  • add-typevBB + vCC
  • sub-typevBB - vCC
  • mul-typevBB * vCC
  • div-typevBB / vCC
  • rem-typevBB % vCC
  • and-typevBB AND vCC
  • or-typevBB OR vCC
  • xor-typevBB XOR vCC
  • shl-typevBB << vCC
  • shr-typevBB >> vCC
  • ushr-type无符号数vBB >> vCC

smali 语法

类声明:

.class <访问权限> [修饰关键字] <类名>
.super <父类名>
.source <源文件名>

字段声明:

# static fields
.field <访问权限> static [修饰关键字] <字段名>:<字段类型>

# instance fields
.field <访问权限> [修饰关键字] <字段名>:<字段类型>

方法声明:

# direct methods
.method <访问权限> [修饰关键字] <方法原型>
    [.locals]
    [.param]
    [.prologue]
    [.line]
<代码体>
.end method

# virtual methods
.method <访问权限> [修饰关键字] <方法原型>
    [.locals]
    [.param]
    [.prologue]
    [.line]
<代码体>
.end method

需要注意的是,在一些老教程中,会看到 .parameter,表示使用的寄存器个数,但在最新的语法中已经不存在了,取而代之的是 .param,表示方法参数。

接口声明:

# interfaces
.implements <接口名>

注释声明:

# annotations
.annotation [注释属性] <注释类名>
    [注释字段 = 值]
.end annotation

循环语句

# for
Iterator<对象> <对象名> = <方法返回一个对象列表>;
for(<对象> <对象名>:<对象列表>){
    [处理单个对象的代码体]
}

# while
Iterator<对象> <迭代器> = <方法返回一个迭代器>;
while(<迭代器>.hasNext()){
    <对象> <对象名> = <迭代器>.next();
    [处理单个对象的代码体]
}

比如下面的 Java 代码:

public void encrypt(String str) {
    String ans = "";
    for (int i = 0 ; i < str.length(); i++){
        ans += str.charAt(i);
    }
    Log.e("ans:", ans);
}

对应下面的 smali

# public void encrypt(String str) {
.method public encrypt(Ljava/lang/String;)V
.locals 4
.parameter p1, "str"    # Ljava/lang/String;
.prologue

# String ans = "";
const-string v0, ""
.local v0, "ans":Ljava/lang/String;

# for (int i  0 ; i < str.length(); i++){
# int i=0 =>v1
const/4 v1, 0x0
.local v1, "i":I
:goto_0     # for_start_place

# str.length()=>v2
invoke-virtual {p1}, Ljava/lang/String;->length()I
move-result v2

# i<str.length()
if-ge v1, v2, :cond_0

# ans += str.charAt(i);
# str.charAt(i) => v2
new-instance v2, Ljava/lang/StringBuilder;
invoke-direct {v2}, Ljava/lang/StringBuilder;-><init>()V
invoke-virtual {v2, v0}, Ljava/lang/StringBuilder;->append(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
move-result-object v2

#str.charAt(i) => v3
invoke-virtual {p1, v1}, Ljava/lang/String;->charAt(I)C
move-result v3

# ans += v3 =>v0
invoke-virtual {v2, v3}, Ljava/lang/StringBuilder;->append(C)Ljava/lang/StringBuilder;
move-result-object v2
invoke-virtual {v2}, Ljava/lang/StringBuilder;->toString()Ljava/lang/String;
move-result-object v0

# i++
add-int/lit8 v1, v1, 0x1
goto :goto_0

# Log.e("ans:", ans);
:cond_0
const-string v2, "ans:"
invoke-static {v2, v0}, Landroid/util/Log;->e(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I
return-void
.end method

switch 语句

public void encrypt(int flag) {
        String ans = null;
        switch (flag){
            case 0:
                ans = "ans is 0";
                break;
            default:
                ans = "noans";
                break;
        }
        Log.v("ans:", ans);
    }

对应下面的 smali

# public void encrypt(int flag) {
.method public encrypt(I)V
    .locals 2
    .param p1, "flag"    # I
    .prologue

# String ans = null;
    const/4 v0, 0x0
    .local v0, "ans":Ljava/lang/String;

# switch (flag){
    packed-switch p1, :pswitch_data_0   # pswitch_data_0指定case区域的开头及结尾

# default: ans="noans"
    const-string v0, "noans"

# Log.v("ans:", ans)
    :goto_0
    const-string v1, "ans:"
    invoke-static {v1, v0}, Landroid/util/Log;->v(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I
    return-void

# case 0: ans="ans is 0"
    :pswitch_0            # pswitch_<case的值>
    const-string v0, "ans is 0"
    goto :goto_0          # break
    nop
    :pswitch_data_0 #case区域的结束
    .packed-switch 0x0    # 定义case的情况
        :pswitch_0   #case 0
    .end packed-switch
.end method

根据 switch 语句的不同case 也有两种方式:

# packed-switch
packed-switch p1, :pswitch_data_0
...
:pswitch_data_0
.packed-switch 0x0
    :pswitch_0
    :pswitch_1

# spase-switch
sparse-switch p1,:sswitch_data_0
...
sswitch_data_0
.sparse-switch
    0xa -> : sswitch_0
    0xb -> : sswitch_1 # 字符会转化成数组

try-catch 语句

public void encrypt(int flag) {
    String ans = null;
    try {
        ans = "ok!";
    } catch (Exception e){
        ans = e.toString();
    }
    Log.d("error", ans);
}

对应的下面的 smali

# public void encrypt(int flag) {
.method public encrypt(I)V
    .locals 3
    .param p1, "flag"    # I
    .prologue

# String ans = null;
    const/4 v0, 0x0
    .line 20
    .local v0, "ans":Ljava/lang/String;

# try { ans="ok!"; }
    :try_start_0    # 第一个try开始
    const-string v0, "ok!"
    :try_end_0      # 第一个try结束(主要是可能有多个try)
    .catch Ljava/lang/Exception; {:try_start_0 .. :try_end_0} :catch_0

# Log.d("error", ans);
    :goto_0
    const-string v2, "error"
    invoke-static {v2, v0}, Landroid/util/Log;->d(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I
    return-void

# catch (Exception e){ans = e.toString();}
    :catch_0        #第一个catch
    move-exception v1
    .local v1, "e":Ljava/lang/Exception;
    invoke-virtual {v1}, Ljava/lang/Exception;->toString()Ljava/lang/String;
    move-result-object v0
    goto :goto_0
.end method

更多资料