dex文件解析(第三篇)「建议收藏」

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

一张图搞懂dex

图1 dex

当然也可以通过下面的图12 DexFile的文件格式，了解更清楚。

DEX文件详解

什么是dex文件？
如何生成一个dex文件
dex文件的作用
dex文件格式详解

什么是dex文件？

dex文件是Android系统中的一种文件，是一种特殊的数据格式，和APK、jar 等格式文件类似。
能够被DVM识别，加载并执行的文件格式。
简单说就是优化后的android版.exe。每个apk安装包里都有。包含应用程序的全部操作指令以及运行时数据。
相对于PC上的java虚拟机能运行.class；android上的Davlik虚拟机能运行.dex。

当java程序编译成class后，还需要使用dx工具将所有的class文件整合到一个dex文件，目的是其中各个类能够共享数据，在一定程度上降低了冗余，同时也是文件结构更加经凑，实验表明，dex文件是传统jar文件大小的50%左右
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图2 apk中的dex文件

为何要研究dex格式？因为dex里面包含了所有app代码，利用反编译工具可以获取java源码。理解并修改dex文件，就能更好的apk破解和防破解。

使用dex文件的最大目的是实现安全管理，但在追求安全的前提下，一定要注意对dex文件实现优化处理。

注意：并不是只有Java才可以生成dex文件，C和C++也可以生成dex文件

如何生成一个dex文件？

通过IDE自动帮我们build生成
手动通过dx命令去生成dex文件
在待测试的class文件目录下（我将TestMain.class放到了F盘根目录下）,执行命令dx --dex --output TestMain.dex TestMain.class,就会生成TestMain.dex文件。
手动运行dex文件在手机
在待测试的dex文件目录下（我将TestMain.class放到了F盘根目录下），通过adb push TestMain.dex /storage/emulated/0命令，然后通过adb shell命令进入手机，后执行dalvikvm -cp /sdcard/TestMain.dex TestMain，就会打印出

Hello World!

如下图3所示（使用AS的终端，没有用Windows的cmd命令）
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图3 手动运行dex文件

注意：

环境变量的配置，dex在SDK目录下的build-tools目录下有很多版本，这里可以选择最新版本目录下dx.bat配置到环境变量path路径下；同样，adb命令也同样配置。
运行完dex文件，可以通过exit退出手机，电脑本地盘符

查看dex文件

大图这里
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图4 dex文件概貌

通过010Editor工具（图片来自网络）
大图这里
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图5 注：图片来自网络

下图6是TestMain.dex通过010Editor工具得到的
大图这里
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图6 010Editor 检测TestMain.dex结果

图7是通过010Editor工具检测TestMain.dex得到的 Template Result结果
大图这里
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图7 010Editor检测TemplateResult结果

通过dexdump 命令查看（注意）
利用build-tools 下的dexdump 命令查看，dexdump -d -l plain TestMain.dex，得到下面的结果

F:\>dexdump -d -l plain TestMain.dex
Processing 'TestMain.dex'...
Opened 'TestMain.dex', DEX version '035'
Class #0 -
  Class descriptor  : 'LTestMain;'
  Access flags      : 0x0001 (PUBLIC)
  Superclass        : 'Ljava/lang/Object;'
  Interfaces        -
  Static fields     -
  Instance fields   -
    #0 : (in LTestMain;)
      name          : 'mX'
      type          : 'I'
      access        : 0x0001 (PUBLIC)
  Direct methods    -
    #0 : (in LTestMain;)
      name          : '<init>'
      type          : '()V'
      access        : 0x10001 (PUBLIC CONSTRUCTOR)
      code          -
      registers     : 2
      ins           : 1
      outs          : 1
      insns size    : 7 16-bit code units
00015c:                                        |[00015c] TestMain.<init>:()V
00016c: 7010 0400 0100                         |0000: invoke-direct {v1}, Ljava/lang/Object;.<init>:()V // method@0004
000172: 1200                                   |0003: const/4 v0, #int 0 // #0
000174: 5910 0000                              |0004: iput v0, v1, LTestMain;.mX:I // field@0000
000178: 0e00                                   |0006: return-void       catches       : (none)
      positions     :
        0x0000 line=11
        0x0003 line=3
        0x0006 line=12
      locals        :
        0x0000 - 0x0007 reg=1 this LTestMain;

    #1 : (in LTestMain;)
      name          : 'main'
      type          : '([Ljava/lang/String;)V'
      access        : 0x0009 (PUBLIC STATIC)
      code          -
      registers     : 4
      ins           : 1
      outs          : 2
      insns size    : 16 16-bit code units
00017c:                                        |[00017c] TestMain.main:([Ljava/lang/String;)V
00018c: 2200 0100                              |0000: new-instance v0, LTestMain; // type@0001
000190: 7010 0000 0000                         |0002: invoke-direct {v0}, LTestMain;.<init>:()V // method@0000
000196: 6e10 0200 0000                         |0005: invoke-virtual {v0}, LTestMain;.test:()V // method@0002
00019c: 6201 0100                              |0008: sget-object v1, Ljava/lang/System;.out:Ljava/io/PrintStream; // field@0001
0001a0: 1a02 0100                              |000a: const-string v2, "Hello World!" // string@0001
0001a4: 6e20 0300 2100                         |000c: invoke-virtual {v1, v2}, Ljava/io/PrintStream;.println:(Ljava/lang/String;)V // method@0003
0001aa: 0e00                                   |000f: return-void       catches       : (none)
      positions     :
        0x0000 line=6
        0x0005 line=7
        0x0008 line=8
        0x000f line=9
      locals        :
        0x0005 - 0x0010 reg=0 testMainObject LTestMain;
        0x0000 - 0x0010 reg=3 args [Ljava/lang/String;

  Virtual methods   -
    #0 : (in LTestMain;)
      name          : 'test'
      type          : '()V'
      access        : 0x0001 (PUBLIC)
      code          -
      registers     : 1
      ins           : 1
      outs          : 0
      insns size    : 1 16-bit code units
0001ac:                                        |[0001ac] TestMain.test:()V
0001bc: 0e00                                   |0000: return-void       catches       : (none)
      positions     :
        0x0000 line=15
      locals        :
        0x0000 - 0x0001 reg=0 this LTestMain;

  source_file_idx   : 8 (TestMain.java)

registers:Dalvik 最初目标是运行在以ARM 做CPU 的机器上的，ARM 芯片的一个主要特点是寄存器多。寄存器多的话有好处，就是可以把操作数放在寄存器里，而不是像传统VM 一样放在栈中。自然，操作寄存器是比操作内存（栈嘛，其实就是一块内存区域）快。registers 变量表示该方法运行过程中会使用多少个寄存器。
ins：输入参数对应的个数
outs：此函数内部调用其他函数，需要的参数个数。
insns size：以4 字节为单位，代表该函数字节码的长度（类似Class 文件的code[]数组）

更多内容参考：官网介绍—–>Dalvik 可执行文件格式

dex文件的作用

记录整个工程中所有类的信息，记住的整个工程所有类的信息

dex文件格式详解

一种8位字节的二进制流文件
各个数据按顺序紧密的排列，无间隙
整个应用中所有的Java源文件都放在一个dex中
大图这里

图8 dex文件结构

上图中的文件头部分，记录了dex文件的信息，所有字段大致的一个分部；索引区部分，主要包含字符串、类型、方法原型、域、方法的索引；索引区最终又被存储在数据区，其中链接数据区，主要存储动态链接库，so库的信息。

源码：/dalvik/libdex/DexFile.h:DexFile

struct DexFile {
    /* directly-mapped "opt" header */
    const DexOptHeader* pOptHeader;
    /* pointers to directly-mapped structs and arrays in base DEX */
    const DexHeader*    pHeader;
    const DexStringId*  pStringIds;
    const DexTypeId*    pTypeIds;
    const DexFieldId*   pFieldIds;
    const DexMethodId*  pMethodIds;
    const DexProtoId*   pProtoIds;
    const DexClassDef*  pClassDefs;
    const DexLink*      pLinkData;
};

具体可查看Android源码官网的关于dex文件结构的详解，如下图9（大图这里）
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图9 dex文件结构详解

总结：

数据名称	解释
header	dex文件头部，记录整个dex文件的相关属性
string_ids	字符串数据索引，记录了每个字符串在数据区的偏移量
type_ids	类似数据索引，记录了每个类型的字符串索引
proto_ids	原型数据索引，记录了方法声明的字符串，返回类型字符串，参数列表
field_ids	字段数据索引，记录了所属类，类型以及方法名
method_ids	类方法索引，记录方法所属类名，方法声明以及方法名等信息
class_defs	类定义数据索引，记录指定类各类信息，包括接口，超类，类数据偏移量
data	数据区，保存了各个类的真是数据
link_data	连接数据区

DEX 文件中会出现的数据类型

类型	含义
u1	等同于uint8_t，表示 1 字节的无符号数
u2	等同于 uint16_t，表示 2 字节的无符号数
u4	等同于 uint32_t，表示 4 字节的无符号数
u8	等同于 uint64_t，表示 8 字节的无符号数
sleb128	有符号 LEB128，可变长度 1~5 字节
uleb128	无符号 LEB128，可变长度 1~5 字节
uleb128p1	无符号 LEB128 值加1，可变长 1~5 字节

/dalvik/libdex/DexFile.h中定义如下

typedef uint8_t             u1;
typedef uint16_t            u2;
typedef uint32_t            u4;
typedef uint64_t            u8;
typedef int8_t              s1;
typedef int16_t             s2;
typedef int32_t             s4;
typedef int64_t             s8;

LEB128
LEB128（“Little-Endian Base 128”）表示任意有符号或无符号整数的可变长度编码。该格式借鉴了 DWARF3 规范。在 .dex 文件中，LEB128 仅用于对 32 位数字进行编码。

每个 LEB128 编码值均由 1-5 个字节组成，共同表示一个 32 位的值。每个字节均已设置其最高有效位（序列中的最后一个字节除外，其最高有效位已清除）。每个字节的剩余 7 位均为有效负荷，即第一个字节中有 7 个最低有效位，第二个字节中也是 7 个，依此类推。对于有符号 LEB128 (sleb128)，序列中最后一个字节的最高有效负荷位会进行符号扩展，以生成最终值。在无符号情况 (uleb128) 下，任何未明确表示的位都会被解译为 0。
大图这里
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图10 双字节 LEB128 值的按位图

变量 uleb128p1 用于表示一个有符号值，其表示法是编码为 uleb128 的值加 1。这使得编码 -1（或被视为无符号值 0xffffffff）成为一个单字节（但没有任何其他负数），并且该编码在下面这些明确说明的情况下非常实用：所表示的数值必须为非负数或 -1（或 0xffffffff）；不允许任何其他负值（或不太可能需要使用较大的无符号值）。
以下是这类格式的一些示例：

编码序列	As sleb128	As uleb128	As uleb128p1
00	0	0	-1
01	1	1	0
7f	-1	127	126
80	7f	-128	16256

dex文件头
Dex文件头主要包括校验和以及其他结构的偏移地址和长度信息。
源码位于 /dalvik/libdex/DexFile.h:DexHeader

struct DexHeader {
    u1  magic[8]; /* includes version number */
    u4  checksum; /* adler32 checksum */
    u1  signature[kSHA1DigestLen]; /* SHA-1 hash */
    u4  fileSize; /* length of entire file */
    u4  headerSize; /* offset to start of next section */
    u4  endianTag;
    u4  linkSize;
    u4  linkOff;
    u4  mapOff;
    u4  stringIdsSize;
    u4  stringIdsOff;
    u4  typeIdsSize;
    u4  typeIdsOff;
    u4  protoIdsSize;
    u4  protoIdsOff;
    u4  fieldIdsSize;
    u4  fieldIdsOff;
    u4  methodIdsSize;
    u4  methodIdsOff;
    u4  classDefsSize;
    u4  classDefsOff;
    u4  dataSize;
    u4  dataOff;
};

具体详解如下图5所示
大图这里
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图11 dex文件头信息

各个字段详解摘要
mapOff 字段
指定 DexMapList 结构距离 Dex 头的偏移
DexMapList 结构体：

struct DexMapList {  
    u4     size;                                   // DexMapItem 的个数 
    DexMapItem     list[1];               // DexMapItem 结构 
};

size：表示接下来有多少个 DexMapItem
list：是一个 DexMapItem 结构体数组
DexMapItem 结构体：

struct DexMapItem  
{  
    u2     type;                    // kDexType 开头的类型 
    u2     unused;               // 未使用，用于对齐 
    u4     size;                     // 指定类型的个数 
    u4     offset;                 // 指定类型数据的文件偏移 
};

type：一个枚举常量

enum  
{  
    kDexTypeHeaderItem = 0x0000,    // 对应 DexHeader 
    kDexTypeStringIdItem = 0x0001,  // 对应 stringIdsSize 与 stringIdsOff 字段 
    kDexTypeTypeIdItem = 0x0002,    // 对应 typeIdsSize 与 typeIdsOff 字段 
    kDexTypeProtoIdItem = 0x0003,   // 对应 protoIdsSize 与 protoIdsOff 字段 
    kDexTypeFieldIdItem = 0x0004,   // 对应 fieldIdsSize 与 fieldIdsOff 字段 
    kDexTypeMethodIdItem = 0x0005,  // 对应 methodIdsSize 与 methodIdsOff 字段 
    kDexTypeClassDefItem = 0x0006,  // 对应 classDefsSize 与 classDefsOff 字段 
    kDexTypeMapList = 0x1000,       
    kDexTypeTypeList = 0x1001,       
    kDexTypeAnnotationSetRefList = 0x1002,       
    kDexTypeAnnotationSetItem = 0x1003,       
    kDexTypeClassDataItem = 0x2000,       
    kDexTypeCodeItem = 0x2001,       
    kDexTypeStringDataItem = 0x2002,       
    kDexTypeDebugInfoItem = 0x2003,       
    kDexTypeAnnotationItem = 0x2004,      
    kDexTypeEncodeArrayItem = 0x2005,      
    kDexTypeAnnotationsDirectoryItem = 0x2006  
};

size：指定类型的个数
offset：指定类型数据的偏移

DexStringId 结构体（stringIdsSize 与 stringIdsOff 字段）

typedef struct _DexStringId {  
    u4  stringDataOff;                  // 指向 MUTF-8 字符串的偏移 
}DexStringId, *PDexStringId;

MUTF-8 编码：

使用 1~3 字节编码长度
大于 16 位的 Unicode 编码 U+10000~U+10FFFF 使用 3 字节来编码
U+0000 采用 2 字节编码
采用空字符 null 作为结尾
第一个字节存放字节个数（不包含自已）

DexTypeId 结构体（typeIdsSize 与 typeIdsOff 字段）
是一个类型结构体

typedef struct _DexTypeId {  
    u4     descriptorIdx;   // 指向 DexStringId 列表的索引 
}DexTypeId, *PDexTypeId;

descriptorIdx：指向 DexStringId 列表的索引，它对应的字符串代表了具体类的类型

DexProtoId 结构体（protoIdsSize 与 protoIdsOff 字段）
是一个方法声明结构体，方法声明 = 返回类型 + 参数列表

typedef struct _DexProtoId {  
    u4  shortyIdx;          // 方法声明字符串，指向 DexStringId 列表的索引 
    u4  returnTypeIdx;      // 方法返回类型字符串，指向 DexStringId 列表的索引 
    u4  parametersOff;      // 方法的参数列表，指向 DexTypeList 结构体的偏移 
}DexProtoId, *PDexProtoId;

shortyIdx：方法声明字符串，方法声明 = 返回类型 + 参数列表
returnTypeIdx：方法返回类型字符串
parametersOff：指向一个 DexTypeList 结构体，存放了方法的参数列表

DexTypeList 结构体：

typedef struct _DexTypeList {  
    u4  size;               // 接下来 DexTypeItem 的个数 
    DexTypeItem* list;      // DexTypeItem 结构 
}DexTypeList, *PDexTypeList;

size：接下来 DexTypeItem 的个数
list：是一个 DexTypeItem 结构体数组

DexTypeItem 结构体：

typedef struct _DexTypeItem {  
    u2  typeIdx;            // 指向 DexTypeId 列表的索引 
}DexTypeItem, *PDexTypeItem;

typeIdx：DexTypeId 列表的索引

DexFieldId 结构体（fieldIdsSize 与 fieldIdsOff 字段）
指明了字段所有的类、字段的类型以及字段名

typedef struct _DexFieldId {  
    u2  classIdx;           // 类的类型，指向 DexTypeId 列表的索引 
    u2  typeIdx;            // 字段的类型，指向 DexTypeId 列表的索引 
    u4  nameIdx;            // 字段名，指向 DexStringId 列表的索引 
}DexFieldId, *PDexFieldId;

classIdx：类的类型
typeIdx：字段的类型
nameIdx：字段名

DexMethodId 结构体（methodIdsSize 与 methodIdsOff 字段）
方法结构体

typedef struct _DexMethodId {  
    u2  classIdx;           // 类的类型，指向 DexTypeId 列表的索引 
    u2  protoIdx;           // 声明的类型，指向 DexProtoId 列表的索引 
    u4  nameIdx;            // 方法名，指向 DexStringId 列表的索引 
}DexMethodId, *PDexMethodId;

classIdx：类的类型
protoIdx：声明的类型
nameIdx：方法名

DexClassDef 结构体（classDefsSize 和 classDefsOff 字段）
类结构体

typedef struct _DexClassDef {  
    u4     classIdx;                 // 类的类型，指向 DexTypeId 列表的索引 
    u4     accessFlags;              // 访问标志 
    u4     superclassIdx;            // 父类类型，指向 DexTypeId 列表的索引 
    u4     interfacesOff;            // 接口，指向 DexTypeList 的偏移，否则为0 
    u4     sourceFileIdx;            // 源文件名，指向 DexStringId 列表的索引 
    u4     annotationsOff;           // 注解，指向 DexAnnotationsDirectoryItem 结构，或者为 0 
    u4     classDataOff;             // 指向 DexClassData 结构的偏移，类的数据部分 
    u4     staticValuesOff;          // 指向 DexEncodedArray 结构的偏移，记录了类中的静态数据，主要是静态方法 
}DexClassDef, *PDexClassDef;

classIdx：类的类型，指向 DexTypeId 列表的索引
accessFlags：访问标志，它是以ACC_开头的枚举值
superclassIdx：父类类型，指向 DexTypeId 列表的索引
interfacesOff：接口，指向 DexTypeList 的偏移，如果没有，则为 0
sourceFileIdx：源文件名，指向 DexStringId 列表的索引
annotationsOff：注解，指向 DexAnnotationsDirectoryItem 结构，或者为 0
classDataOff：指向 DexClassData 结构的偏移，类的数据部分
staticValuesOff：指向 DexEncodeArray 结构的偏移，记录了类中的静态数据，没有则为 0

DexClassData 结构体：

typedef struct _DexClassData {  
    DexClassDataHeader      header;             // 指定字段与方法的个数 
    DexField*               staticFields;       // 静态字段，DexField 结构 
    DexField*               instanceFields;     // 实例字段，DexField 结构 
    DexMethod*              directMethods;      // 直接方法，DexMethod 结构 
    DexMethod*              virtualMethods;     // 虚方法，DexMethod 结构 
}DexClassData, *PDexClassData;

header：DexClassDataHeader 结构体，指定字段与方法的个数
staticFields：静态字段，DexField 结构体数组
instanceFields：实例字段，DexField 结构体数组
directMethods：直接方法，DexMthod 结构体数组
virtualMethods：虚方法，DexMethod 结构体数组

DexClassDataHeader 结构体：

typedef struct _DexClassDataHeader {  
    uleb128 staticFieldsSize;                   // 静态字段个数 
    uleb128 instanceFieldsSize;                 // 实例字段个数 
    uleb128 directMethodsSize;                  // 直接方法个数 
    uleb128 virtualMethodsSize;                 // 虚方法个数 
}DexClassDataHeader, *PDexClassDataHeader;

staticFieldsSize：静态字段个数
instanceFieldsSize：实例字段个数
directMethodsSize：直接方法个数
virtualMethodsSize：虚方法个数

DexField 结构体：

typedef struct _DexField {  
    uleb128 fieldIdx;           // 指向 DexFieldId 的索引 
    uleb128 accessFlags;        // 访问标志 
}DexField, *PDexField;

fieldIdx：字段描述，指向 DexFieldId 的索引
accessFlags：访问标志

DexMethod 结构体：

typedef struct _DexMethod {  
    uleb128 methodIdx;          // 指向 DexMethodId 的索引 
    uleb128 accessFlags;        // 访问标志 
    uleb128 codeOff;            // 指向 DexCode 结构的偏移 
}DexMethod, *PDexMethod;

methodIdx：方法描述，指向 DexMethodId 的索引
accessFlags：访问标志
codeOff：指向 DexCode 结构的偏移

DexCode 结构体：

typedef struct _DexCode {  
    u2  registersSize;          // 使用的寄存器个数 
    u2  insSize;                // 参数个数 
    u2  outsSize;               // 调用其他方法时使用的寄存器个数 
    u2  triesSize;              // Try/Catch 个数 
    u4  debbugInfoOff;          // 指向调试信息的偏移 
    u4  insnsSize;              // 指令集个数，以 2 字节为单位 
    u2* insns;                  // 指令集 
}DexCode, *PDexCode;

还有一些不太常见的结构体，要用的时候再去看看就行了。Dex 文件的整体结构就这样，就是一个多层索引的结构。

string_ids（字符串索引）
这一区域存储的是Dex文件字符串资源的索引信息，该索引信息是目标字符串在Dex文件数据区所在的真实物理偏移量。

源码位于 /dalvik/libdex/DexFile.h:DexStringId

struct DexStringId {
    u4 stringDataOff;      /* file offset to string_data_item */
};

stringDataOff记录了目标字符串在Dex文件中的实际偏移量，虚拟机想读取该字符串时，只需将Dex文件在内存中的起始地址加上stringDataOff所指的偏移量，就是该字符串在内存中的实际物理地址。
在Dex文件中，每个每个字符串对应一个DexStringId,大小4B。另外虚拟机通过DexHeader中的String_ids_size获得当前Dex文件中的字符串的总数,通过乘法就可对该索引资源进行访问。

DexLink

struct DexLink {
    u1  bleargh;
};

DexFile 在内存中的映射

在Android系统中， java 源文件会被编译为“ .jar ” 格式的dex类型文件，在代码中称为dexfile 。在加载Class 之前，必先读取相应的jar文件。通常我们使用read（）函数来读取文件中的内容。但在Dalvik中使用mmap（）函数。和read（）不同， mmap（）函数会将dex文件映射到内存中，这样通过普通的内存读取操作即可访问dexfile中的内容。

Dexfile的文件格式如图12 所示，主要有三部分组成：头部，索引，数据。通过头部可知索引的位置和数同，可知数据区的起始位置。其中classDefsOff 指定了ClassDef 在文件的起始位置， dataOff 指定了数据在文件的起始位置， ClassDef 即可理解为Class 的索引。通过读取ClassDef 可获知Class 的基本信息，其中classDataOff 指定了Class 数据在数据区的位置。
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图12 DexFile的文件格式

在将dexfile文件映射到内存后，会调用dexFileParse（）函数对其分析，分析的结果存放于名为DexFile的数据结构中。DexFile 中的baseAddr指向映射区的起始位置， pClassDefs 指向ClassDefs（即class索引）的起始位置。由于在查找class 时，都是使用class的名字进行查找的，所以为了加快查找速度，创建了一个hash表。在hash表中对class 名字进行hash，并生成index。这些操作都是在对文件解析时所完成的，这样虽然在加载过程中比较耗时，但是在运行过程中可节省大量查找时间。

解析完后，接下来开始加载class文件。在此需要将加载类用ClassObject来保存，所以在此需要先分析和ClassObject 相关的几个数据结构。

首先在文件Object.h 中可以看到如下对结构体Object 的定义。（android2.3.7源码）

typedef struct Object {
    /* ptr to class object */
    ClassObject*    clazz;

    /*
     * A word containing either a "thin" lock or a "fat" monitor.  See
     * the comments in Sync.c for a description of its layout.
     */
    u4              lock;
} Object;

通过结构体Object定义了基本类的实现，这里有如下两个变量。

lock ：对应Obejct 对象中的锁实现，即notify wait 的处理。
clazz ：是结构体指针，姑且不看结构体内容，这里用了指针的定义。

下面会有更多的结构体定义：

struct DataObject {
    Object          obj;                /* MUST be first item */
    /* variable #of u4 slots; u8 uses 2 slots */
    u4              instanceData[1];
};
struct StringObject {
    Object          obj;                /* MUST be first item */
    /* variable #of u4 slots; u8 uses 2 slots */
    u4              instanceData[1];
};

我们看到最熟悉的一个词StringObject ，把这个结构体展开后是下面的样子。

struct StringObject {
    /* ptr t o class object */
	ClassObject*  clazz ;
    /* variable #of u4 slots; u8 uses 2 slots */
    u4   lock;
    u4              instanceData[1]; };

由此不难发现，任何对象的内存结构体中第一行都是Object结构体，而这个结构体第一个总是一个ClassObejct，第二个总是lock 。按照C++中的技巧，这些结构体可以当成Object结构体使用，因此所有的类在内存中都具有“对象”的功能，即可以找到一个类（ClassObject），可以有一个锁(lock）。

StringObject是对String类进行管理的数据对象，ArrayObejct是数据相关的管理。

ClassObject-Class 在加载后的表现形式

在解析完文件后，接下来需要加载Class 的具体内容。在Dalvik中，由数据结构ClassObject负责存放加载的信息。如图13所示，加载过程会在内存中alloc几个区域，分别存放directMethods 、virtualMethods 、sfields 、ifields 。这些信息是从dex 文件的数据区中读取的，首先会读取Class 的详细信息，从中获得directMethod 、virtua!Method 、sfield 、ifield 等的信息，然后再读取。在此需要注意，在C lassObj ect 结构中有个名为super 的成员，通过super成员可以指向它的超类。
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图13 加载过程

Android dex 文件优化

对Android dex 文件进行优化来说，需要注意的一点是dex文件的结构是紧凑的，但是我们还是要想方设法地进行提高程序的运行速度，我们就仍然需要对dex文件进行进一步优化。

调整所有字段的字节序（ LITTLE_ENDIAN），和对齐结构中的每一个域来验证dex文件中的所有类，并对一些特定的类进行优化或对方法里的操作码进行优化。优化后的文件大小会有所增加，大约是原Android dex文件的1～4 倍。

优化时机
优化发生的时机有两个：

对于预置应用来说，可以在系统编译后，生成优化文件，以ODEX 结尾。这样在发布时除APK文件（不包含dex）以外，还有一个相应的Android dex 文件。
对于非预置应用，包含在APK文件里的dex 文件会在运行时被优化，优化后的文件将被保存在缓存中。

如下图14所示代码调用流程
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图14 代码调用流程

每一个Android应用都运行在一个Dalvik虚拟机实例里，而每一个虚拟机实例都是一个独立的进程空间。虚拟机的线程机制，内存分配和管理， Mutex等都是依赖底层操作系统而实现的。

所有Android应用的线程都对应一个Linux线程（可参考—-理解Android线程创建流程），虚拟机因而可以更多地依赖操作系统的线程调度和管理机制。不同的应用在不同的进程空间里运行，加之对不同来源的应用都使用不同的Linux用户来运行，可以最大限度地保护应用的安全和独立运行。

Zygote是一个虚拟机进程，同时也是一个虚拟机实例的孵化器，每当系统要求执行一个Android应用程序，Zygote就会孵化出一个子进程来执行该应用程序。这样做的好处显而易见：Zygote进程是在系统启动时产生的，它会完成虚拟机的初始化，库的载，预置类库的加载和初始化等操作，而在系统需要一个新的虚拟机实例时，Zygote通过复制自身，最快速地提供一个虚拟机实例。另外，对于一些只读的系统库，所有虚拟机实例都和Zygote 共享一块内存区域，大大节省了内存开销。

Android 应用所使用的编程语言是Java语言，和Java SE 一样，编译时使用Oracle JDK 将Java源程序编程成标准的Java 字节码文件（. class 文件）。而后通过工具软件DX 把所有的字节码文件转成Android dex 文件（classes . dex）。最后使用Android 打包工具（aapt）将dex 文件、资源文件以及AndroidManifest.xml 文件（二进制格式）组合成一个应用程序包（APK）。应用程序包可以被发布到手机上运行。
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图15 Android应用编译及运行流程

odex 介绍

odex 是Optimized dex 的简写，也就是优化后的dex 文件。为什么要优化呢？主要还是为了提高Dalvik 虚拟机的运行速度。但是odex 不是简单的、通用的优化，而是在其优化过程中，依赖系统已经编译好的其他模块，简单点说：

从Class 文件到dex 文件是针对Android 平台的一种优化，是一种通用的优化。优化过程中，唯一的输入是Class 文件。
odex 文件就是dex 文件具体在某个系统（不同手机，不同手机的OS，不同版本的OS 等）上的优化。odex 文件的优化依赖系统上的几个核心模块（由BOOTCLASSPATH 环境变量给出，一般是/system/framework/下的jar 包，尤其是core.jar）。odex 的优化就好像是把中那些本来需要在执行过程中做的类校验、调用其他类函数时的解析等工作给提前处理了。

通过利用dexopt得到test.odex，接着利用dexdump得到其内容，最后可以利用Beyond Compare比较这两个文件的差异。
如下图所示
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图16 test.dex 和test.odex 差异

图16中，绿色框中是test.dex的内容，红色框中是test.odex的内容，这也是两个文件的差异内容：

test.dex中，TestMain类仅仅是PUBLIC的，但test.odex则增加了VERIFIED和OPTIMIZED两项。VERIFIED是表示该类被校验过了，至于校验什么东西，以后再说。
然后就是一些方法的不同了。优化后的odex文件，一些字节码指令变成了xxx-quick。比如图中最后一句代码对于的字节码中，未优化前invoke-virtual指令表示从method table指定项（图中是0002）里找到目标函数，而优化后的odex使用了invoke-virtual-quick表示从vtable中找到目标函数（图中是000b）。

vtable是虚表的意思，一般在OOP实现中用得很多。vtable一定比methodtable快么？那倒是有可能。我个人猜测：

method表应该是每个dex文件独有的，即它是基于dex文件的。
根据odex文件的生成方法（后面会讲），我觉得vtable恐怕是把dex文件及依赖的类（比如Java基础类，如Object类等）放一起进行了处理，最终得到一张大的vtable。这个odex文件依赖的一些函数都放在vtable中。运行时直接调用指定位置的函数就好，不需要再解析了。以上仅是我的猜测。

注意：
odex文件由dexopt生成，这个工具在SDK里没有，只能由源码生成。odex文件的生成有三种方式：

preopt：即OEM厂商（比如手机厂商），在制作镜像的时候，就把那些需要放到镜像文件里的jar包，APK等预先生成对应的odex文件，然后再把classes.dex文件从jar包和APK中去掉以节省文件体积。

installd：当一个apk安装的时候，PackageManagerService会调用installd的服务，将apk中的class.dex进行处理。当然，这种情况下，APK中的class.dex不会被剔除。

dalvik VM：preopt是厂商的行为，可做可不做。如果没有做的话，dalvik VM在加载一个dex文件的时候，会先生成odex。所以，dalvik VM实际上用得是odex文件。以后我们研究dalvik VM的时候会看到这部分内容。

实际上dex转odex是利用了dalvik vm，里边也会运行dalvik vm的相关方法。

总结：

以标准角度来看，Class文件是由Java VM规范定义的，所以通用性更广。dex或者是odex只不过是规范在Android平台上的一种具体实现罢了，而且dex/odex在很多地方也需要遵守规范。因为dex文件的来源其实还是Class文件。
对于初学者而言，我建议了解Class文件的结构为主。另外，关于dex/odex的文件结构，除非有明确需求（比如要自己修改字节码等），否则以了解原理就可以。而且，将来我们看到dalvik vm的实际代码后，你会发现dex的文件内容还是会转换成代码里的那些你很熟悉的类型，数据结构。比如dex存储字符串是一种优化后的方法，但是到vm代码中，还不是只能用字符串来表示吗？
另外，你还会发现，Class、dex还是odex文件都存储了很多源码中的信息，比如类名、函数名、参数信息、成员变量信息等，而且直接用得是字符串。这和Native的二进制比起来，就容易看懂多了。