0基础安卓逆向原理与实践：第1章：计算机系统与安卓架构基础-优快云博客

第1章：计算机系统与安卓架构基础

1.1 计算机体系结构基础

1.1.1 冯·诺依曼架构

计算机体系结构是理解安卓逆向工程的基石。现代计算机基于冯·诺依曼架构，该架构包含以下核心组件：

核心概念解析：

中央处理器（CPU）：执行指令和数据处理
内存（Memory）：存储程序和数据
存储器（Storage）：永久保存数据
输入/输出设备：与外界交互

1.1.2 指令执行周期

CPU执行指令遵循固定的周期：

示例：简单加法指令执行过程

ADD R1, R2, R3  ; R1 = R2 + R3

执行步骤：

取指令：从内存地址0x1000读取指令ADD R1, R2, R3
译码：识别为加法操作，操作数为R2和R3，结果存入R1
执行：ALU计算R2 + R3
写回：将结果写入寄存器R1

问题与思考：

为什么需要寄存器？
内存访问为什么比寄存器访问慢？

答案：
寄存器位于CPU内部，访问速度最快（1个时钟周期），而内存访问需要通过总线，延迟较高（数十个时钟周期）。

1.1.3 内存层次结构

现代计算机采用多层次内存结构来平衡速度和容量：

pyramid
    title 内存层次结构
    "寄存器" : 1
    "L1缓存" : 10
    "L2缓存" : 100
    "L3缓存" : 1000
    "主内存" : 10000
    "硬盘存储" : 100000

各层特点：

层次	容量	速度	成本
寄存器	KB级	最快	最高
L1缓存	32-64KB	很快	很高
L2缓存	256KB-1MB	快	高
L3缓存	8-32MB	较快	较高
主内存	GB级	中等	中等
硬盘	TB级	慢	低

1.2 操作系统原理

1.2.1 操作系统的作用

操作系统是硬件和应用程序之间的桥梁，主要功能包括：

mindmap
  root((操作系统))
    进程管理
      进程调度
      进程通信
      进程同步
    内存管理
      虚拟内存
      内存分配
      内存保护
    文件系统
      文件操作
      目录管理
      权限控制
    设备管理
      驱动程序
      I/O调度
      设备抽象

1.2.2 进程与线程

进程（Process）：程序的执行实例，拥有独立的内存空间。

线程（Thread）：进程内的执行单元，共享进程的内存空间。

示例：Android应用进程结构

// Android应用主进程
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        
        // 主线程（UI线程）
        runOnUiThread(() -> {
            // UI操作
        });
        
        // 创建工作线程
        new Thread(() -> {
            // 后台任务
        }).start();
    }
}

1.2.3 虚拟内存机制

虚拟内存为每个进程提供独立的地址空间，通过页表将虚拟地址映射到物理地址。

虚拟内存的优势：

内存保护：进程间内存隔离
内存扩展：支持比物理内存更大的地址空间
内存共享：多个进程可以共享同一物理页面

1.3 安卓系统架构

1.3.1 安卓系统层次结构

安卓系统采用分层架构设计，从底层到顶层包含以下层次：

graph TB
    subgraph Layer4[应用层 Applications]
        APP1[系统应用]
        APP2[第三方应用]
    end
    
    subgraph Layer3[应用框架层 Application Framework]
        AM[Activity Manager]
        WM[Window Manager]
        CM[Content Manager]
        VM[View System]
    end
    
    subgraph Layer2[系统运行库层 Libraries & Runtime]
        ART[Android Runtime]
        LIB[Native Libraries]
    end
    
    subgraph Layer1[硬件抽象层 HAL]
        HAL1[Camera HAL]
        HAL2[Audio HAL]
        HAL3[Sensor HAL]
    end
    
    subgraph Layer0[Linux内核层 Linux Kernel]
        DRIVER[设备驱动]
        MM[内存管理]
        PM[进程管理]
    end
    
    Layer4 --> Layer3
    Layer3 --> Layer2
    Layer2 --> Layer1
    Layer1 --> Layer0

1.3.2 Linux内核层

安卓基于Linux内核，提供核心系统服务：

主要功能模块：

// Linux内核主要子系统
struct kernel_subsystems {
    struct process_manager pm;      // 进程管理
    struct memory_manager mm;       // 内存管理
    struct file_system fs;          // 文件系统
    struct network_stack net;       // 网络协议栈
    struct device_drivers drivers;  // 设备驱动
    struct security_module security; // 安全模块
};

示例：查看安卓设备内核信息

# 通过adb查看内核版本
adb shell cat /proc/version

# 输出示例：
# Linux version 4.14.180-g18e4cea94a9e 
# (android-build@abfarm-01) (gcc version 4.9.x 20150123) 
# #1 SMP PREEMPT Mon Jul 15 14:03:54 UTC 2019

1.3.3 硬件抽象层（HAL）

HAL为上层提供统一的硬件接口，屏蔽硬件差异：

// HAL接口示例：相机模块
typedef struct camera_module {
    struct hw_module_t common;
    
    int (*get_number_of_cameras)(void);
    int (*get_camera_info)(int camera_id, struct camera_info *info);
    int (*set_callbacks)(const camera_module_callbacks_t *callbacks);
    void (*get_vendor_tag_ops)(vendor_tag_ops_t* ops);
    int (*open_legacy)(const struct hw_module_t* module, const char* id,
                       uint32_t halVersion, struct hw_device_t** device);
    int (*set_torch_mode)(const char* camera_id, bool enabled);
    int (*init)();
} camera_module_t;

1.3.4 系统运行库层

Android Runtime (ART)

ART是安卓的运行时环境，负责执行应用程序：

ART vs Dalvik对比：

特性	Dalvik	ART
编译方式	JIT	AOT + JIT
安装时间	快	较慢
运行速度	较慢	快
内存占用	较少	较多
电池续航	较差	更好

Native Libraries

系统运行库提供核心功能支持：

// 主要Native库示例
#include <libc.h>          // C标准库
#include <libm.h>          // 数学库
#include <libssl.h>        // SSL/TLS库
#include <libsqlite.h>     // SQLite数据库
#include <libwebkit.h>     // WebKit浏览器引擎
#include <libmedia.h>      // 媒体框架
#include <libgl.h>         // OpenGL ES图形库

1.3.5 应用框架层

应用框架层为应用开发提供高级API：

// 主要框架组件
public class AndroidFramework {
    // Activity管理器
    ActivityManager activityManager;
    
    // 窗口管理器
    WindowManager windowManager;
    
    // 内容提供者管理器
    ContentResolver contentResolver;
    
    // 包管理器
    PackageManager packageManager;
    
    // 资源管理器
    Resources resources;
    
    // 位置管理器
    LocationManager locationManager;
    
    // 通知管理器
    NotificationManager notificationManager;
}

示例：Activity生命周期

public class ExampleActivity extends AppCompatActivity {
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        Log.d("Lifecycle", "onCreate called");
        // 初始化UI
    }
    
    @Override
    protected void onStart() {
        super.onStart();
        Log.d("Lifecycle", "onStart called");
        // Activity变为可见
    }
    
    @Override
    protected void onResume() {
        super.onResume();
        Log.d("Lifecycle", "onResume called");
        // Activity获得焦点
    }
    
    @Override
    protected void onPause() {
        super.onPause();
        Log.d("Lifecycle", "onPause called");
        // Activity失去焦点
    }
    
    @Override
    protected void onStop() {
        super.onStop();
        Log.d("Lifecycle", "onStop called");
        // Activity不可见
    }
    
    @Override
    protected void onDestroy() {
        super.onDestroy();
        Log.d("Lifecycle", "onDestroy called");
        // Activity被销毁
    }
}

1.4 安卓应用程序结构

1.4.1 APK文件结构

APK（Android Package）是安卓应用的安装包格式：

MyApp.apk
├── AndroidManifest.xml     # 应用清单文件
├── classes.dex            # Dalvik字节码
├── resources.arsc         # 编译后的资源
├── res/                   # 资源目录
│   ├── drawable/         # 图片资源
│   ├── layout/           # 布局文件
│   ├── values/           # 值资源
│   └── ...
├── assets/               # 原始资源文件
├── lib/                  # Native库
│   ├── arm64-v8a/       # 64位ARM架构
│   ├── armeabi-v7a/     # 32位ARM架构
│   └── x86/             # x86架构
├── META-INF/            # 签名信息
│   ├── CERT.RSA         # 证书
│   ├── CERT.SF          # 签名文件
│   └── MANIFEST.MF      # 清单文件
└── ...

1.4.2 应用组件

安卓应用由四大组件构成：

mindmap
  root((安卓四大组件))
    Activity
      用户界面
      生命周期管理
      Intent通信
    Service
      后台服务
      长期运行任务
      跨进程通信
    BroadcastReceiver
      系统广播
      应用间通信
      事件响应
    ContentProvider
      数据共享
      跨应用访问
      统一接口

示例：组件声明

<!-- AndroidManifest.xml -->
<application>
    <!-- Activity声明 -->
    <activity
        android:name=".MainActivity"
        android:exported="true">
        <intent-filter>
            <action android:name="android.intent.action.MAIN" />
            <category android:name="android.intent.category.LAUNCHER" />
        </intent-filter>
    </activity>
    
    <!-- Service声明 -->
    <service
        android:name=".MyService"
        android:enabled="true"
        android:exported="false" />
    
    <!-- BroadcastReceiver声明 -->
    <receiver
        android:name=".MyReceiver"
        android:enabled="true"
        android:exported="true">
        <intent-filter>
            <action android:name="android.intent.action.BOOT_COMPLETED" />
        </intent-filter>
    </receiver>
    
    <!-- ContentProvider声明 -->
    <provider
        android:name=".MyProvider"
        android:authorities="com.example.myprovider"
        android:enabled="true"
        android:exported="false" />
</application>

1.4.3 应用权限系统

安卓采用基于权限的安全模型：

<!-- 权限声明示例 -->
<uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />
<uses-permission android:name="android.permission.CAMERA" />
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION" />
<uses-permission android:name="android.permission.READ_CONTACTS" />
<uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE" />

权限分类：

正常权限：不涉及用户隐私，自动授予
危险权限：涉及用户隐私，需要用户授权
签名权限：只有相同签名的应用才能获得
系统权限：只有系统应用才能获得

示例：运行时权限请求

public class PermissionExample extends AppCompatActivity {
    private static final int CAMERA_PERMISSION_REQUEST = 1001;
    
    private void requestCameraPermission() {
        if (ContextCompat.checkSelfPermission(this, 
                Manifest.permission.CAMERA) != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
            
            // 请求权限
            ActivityCompat.requestPermissions(this,
                    new String[]{Manifest.permission.CAMERA},
                    CAMERA_PERMISSION_REQUEST);
        } else {
            // 权限已授予，执行相机操作
            openCamera();
        }
    }
    
    @Override
    public void onRequestPermissionsResult(int requestCode,
                                         String[] permissions,
                                         int[] grantResults) {
        super.onRequestPermissionsResult(requestCode, permissions, grantResults);
        
        if (requestCode == CAMERA_PERMISSION_REQUEST) {
            if (grantResults.length > 0 && 
                grantResults[0] == PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
                // 权限被授予
                openCamera();
            } else {
                // 权限被拒绝
                showPermissionDeniedMessage();
            }
        }
    }
}

1.5 安卓安全机制

1.5.1 应用沙箱

每个安卓应用运行在独立的沙箱环境中：

graph TB
    subgraph Sandbox1[应用沙箱1]
        APP1[应用1]
        UID1[UID: 10001]
        DATA1[私有数据目录]
    end
    
    subgraph Sandbox2[应用沙箱2]
        APP2[应用2]
        UID2[UID: 10002]
        DATA2[私有数据目录]
    end
    
    subgraph Kernel[Linux内核]
        PERM[权限检查]
        IPC[进程间通信]
    end
    
    Sandbox1 --> Kernel
    Sandbox2 --> Kernel

沙箱特性：

每个应用分配唯一的用户ID（UID）
应用只能访问自己的私有数据
跨应用通信需要通过系统API
文件权限基于Linux用户权限模型

1.5.2 代码签名

所有安卓应用必须进行数字签名：

# 生成密钥库
keytool -genkey -v -keystore my-release-key.keystore \
        -alias alias_name -keyalg RSA -keysize 2048 -validity 10000

# 签名APK
jarsigner -verbose -sigalg SHA1withRSA -digestalg SHA1 \
          -keystore my-release-key.keystore my_application.apk alias_name

# 验证签名
jarsigner -verify -verbose -certs my_application.apk

签名验证过程：

1.5.3 SELinux安全增强

安卓集成了SELinux（Security-Enhanced Linux）提供强制访问控制：

# 查看SELinux状态
adb shell getenforce
# 输出：Enforcing

# 查看进程SELinux上下文
adb shell ps -Z
# 输出示例：
# u:r:system_server:s0    system    1234  1  ... system_server
# u:r:untrusted_app:s0:c123,c456,c789,c1011  u0_a123  5678  ... com.example.app

SELinux策略示例：

# 允许untrusted_app域访问app_data_file类型的文件
allow untrusted_app app_data_file:file { read write open };

# 禁止untrusted_app域访问system_file类型的文件
neverallow untrusted_app system_file:file write;

1.6 实践练习

练习1：分析设备架构信息

目标：通过ADB命令了解安卓设备的硬件和系统信息。

步骤：

# 1. 连接设备
adb devices

# 2. 查看CPU架构
adb shell cat /proc/cpuinfo

# 3. 查看内存信息
adb shell cat /proc/meminfo

# 4. 查看系统版本
adb shell getprop ro.build.version.release

# 5. 查看设备型号
adb shell getprop ro.product.model

# 6. 查看安装的应用列表
adb shell pm list packages

预期输出分析：

CPU信息显示处理器型号、核心数、频率等
内存信息显示总内存、可用内存、缓存等
系统属性显示安卓版本、设备信息等

练习2：APK基础分析

目标：使用工具分析APK文件结构。

准备工作：

# 下载示例APK（可以使用任何合法的APK文件）
# 这里以系统计算器为例
adb shell pm path com.android.calculator2
# 输出：package:/system/app/Calculator/Calculator.apk

# 拉取APK文件
adb pull /system/app/Calculator/Calculator.apk ./calculator.apk

分析步骤：

# 1. 查看APK文件信息
file calculator.apk
# 输出：calculator.apk: Zip archive data, at least v2.0 to extract

# 2. 解压APK查看结构
unzip -l calculator.apk | head -20

# 3. 使用aapt工具分析
aapt dump badging calculator.apk

# 4. 查看AndroidManifest.xml
aapt dump xmltree calculator.apk AndroidManifest.xml

可能遇到的问题：

问题：aapt命令未找到
解决：安装Android SDK Build Tools

# 在Android SDK目录下
export PATH=$PATH:$ANDROID_HOME/build-tools/30.0.3

问题：APK文件损坏
解决：重新下载或使用其他APK文件

练习3：进程和内存分析

目标：观察安卓应用的进程和内存使用情况。

# 1. 启动目标应用
adb shell am start -n com.android.calculator2/.Calculator

# 2. 查看应用进程
adb shell ps | grep calculator

# 3. 查看内存使用
adb shell dumpsys meminfo com.android.calculator2

# 4. 查看应用详细信息
adb shell dumpsys package com.android.calculator2

输出分析：

进程信息包含PID、PPID、用户ID等
内存信息显示堆内存、栈内存、共享内存等使用情况
包信息显示权限、组件、签名等详细信息

1.7 常见问题与解答

Q1：为什么安卓使用Linux内核而不是其他操作系统内核？

A1：Linux内核具有以下优势：

开源免费：降低开发成本
成熟稳定：经过长期验证的内核
硬件支持广泛：支持多种CPU架构
安全机制完善：用户权限、进程隔离等
社区支持强大：持续的更新和维护

Q2：ART相比Dalvik有哪些具体改进？

A2：主要改进包括：

方面	Dalvik	ART
编译时机	运行时JIT编译	安装时AOT编译 + 运行时JIT
启动速度	较慢（需要编译）	快（已编译为机器码）
内存效率	较低	更高（改进的GC算法）
调试支持	基础调试	增强的调试和性能分析
64位支持	有限	完整支持