Android ABI

不同的 Android 设备使用不同的 CPU，而这些 CPU 又支持不同的指令集。CPU 和指令集的每种组合都有其自己的应用二进制接口 (ABI)。ABI 包含以下信息：

  • 可以使用的 CPU 指令集（及扩展）。
  • 运行时内存存储和加载的字节序。Android 始终是小端字节序。
  • 应用与系统之间传递数据的约定，包括对齐约束，以及系统在调用函数时如何使用栈和寄存器。
  • 可执行二进制文件的格式（例如程序和共享库）以及它们支持的内容类型。Android 始终使用 ELF。如需了解详情，请参阅 ELF System V 应用二进制接口。
  • C++ 名称的混编方式。如需了解详情，请参阅 通用/Itanium C++ ABI。

本页面列出了 NDK 支持的 ABI，并提供了关于每个 ABI 工作方式的信息。

ABI 也可以指平台支持的原生 API。如需了解影响 32 位系统的 ABI 问题列表，请参阅 32 位 ABI 错误。

支持的 ABI

表 1. ABI 和支持的指令集。

ABI 支持的指令集 注意
armeabi-v7a
  • armeabi
  • Thumb-2
  • Neon
    		•  与 ARMv5/v6 设备不兼容。
    arm64-v8a
  • AArch64
    		•  仅支持 Armv8.0。
    x86
  • x86 (IA-32)
  • MMX
  • SSE/2/3
  • SSSE3
    		•  不支持 MOVBE 或 SSE4。
    x86_64
  • x86-64
  • MMX
  • SSE/2/3
  • SSSE3
  • SSE4.1, 4.2
  • POPCNT
  • CMPXCHG16B
  • LAHF-SAHF
    		•  完整的 x86-64-v2。

    注意： 历史上 NDK 支持 ARMv5 (armeabi) 以及 32 位和 64 位 MIPS，但在 NDK r17 中移除了对这些 ABI 的支持。

    armeabi-v7a

    此 ABI 适用于 32 位 ARM CPU。它包括 Thumb-2 和 Neon。

    如需了解非 Android 特定的 ABI 部分，请参阅 面向 ARM 架构的应用二进制接口 (ABI)

    NDK 的构建系统默认生成 Thumb-2 代码，除非您在使用 ndk-build 时在 Android.mk 文件中使用 LOCAL_ARM_MODE，或者在配置 CMake 时使用 ANDROID_ARM_MODE。

    如需详细了解 Neon 的历史，请参阅 Neon 支持。

    出于历史原因，此 ABI 使用 -mfloat-abi=softfp，这会导致在函数调用时，所有 float 值通过整数寄存器传递，所有 double 值通过整数寄存器对传递。尽管名称如此，但这仅影响浮点调用约定：编译器仍将使用硬件浮点指令进行算术运算。

    此 ABI 使用 64 位 long double（与 double 相同的 IEEE binary64）。

    arm64-v8a

    此 ABI 适用于 64 位 ARM CPU。

    如需了解非 Android 特定的 ABI 部分的完整详细信息，请参阅 Arm 的 了解架构。Arm 还在 64 位 Android 开发 中提供了一些移植建议。

    您可以在 C 和 C++ 代码中使用 Neon 内嵌函数 来利用高级 SIMD 扩展。 《面向 Armv8-A 的 Neon 编程指南》提供了有关 Neon 内嵌函数和 Neon 编程的更多信息。

    在 Android 上，特定于平台的 x18 寄存器是为 ShadowCallStack 保留的，您的代码不应触碰此寄存器。当前版本的 Clang 在 Android 上默认使用 -ffixed-x18 选项，因此除非您手写汇编代码（或使用非常旧的编译器），否则无需担心此问题。

    此 ABI 使用 128 位 long double（IEEE binary128）。

    x86

    此 ABI 适用于支持通常称为“x86”、“i386”或“IA-32”的指令集的 CPU。

    Android 的 ABI 包括基本指令集以及 MMX、SSE、SSE2、SSE3 和 SSSE3 扩展。

    该 ABI 不包括任何其他可选的 IA-32 指令集扩展，例如 MOVBE 或任何 SSE4 变体。您仍然可以使用这些扩展，前提是使用运行时特性探测来启用它们，并为不支持它们的设备提供回退方案。

    NDK 工具链假定在函数调用前栈按 16 字节对齐。默认工具和选项强制执行此规则。如果您正在编写汇编代码，必须确保保持栈对齐，并确保其他编译器也遵守此规则。

    如需了解更多详细信息，请参阅以下文档：

    此 ABI 使用 64 位 long double（与 double 相同的 IEEE binary64，而不是更常见的仅限英特尔的 80 位 long double）。

    x86_64

    此 ABI 适用于支持通常称为“x86-64”的指令集的 CPU。

    Android 的 ABI 包括基本指令集以及 MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、SSE4.1、SSE4.2 和 POPCNT 指令。

    该 ABI 不包括任何其他可选的 x86-64 指令集扩展，例如 MOVBE、SHA 或任何 AVX 变体。您仍然可以使用这些扩展，前提是使用运行时特性探测来启用它们，并为不支持它们的设备提供回退方案。

    如需了解更多详细信息，请参阅以下文档：

    此 ABI 使用 128 位 long double（IEEE binary128）。

    为特定 ABI 生成代码

    Gradle

    Gradle（无论是通过 Android Studio 使用还是从命令行使用）默认构建所有非弃用 ABI。要限制应用支持的 ABI 集，请使用 abiFilters。例如，要仅构建 64 位 ABI，请在 build.gradle 中设置以下配置：

    android {
    defaultConfig {
        ndk {
            abiFilters 'arm64-v8a', 'x86_64'
        }
    }
}

    ndk-build

    ndk-build 默认构建所有非弃用 ABI。您可以通过在 Application.mk 文件中设置 APP_ABI 来定位特定的 ABI。以下代码片段显示了使用 APP_ABI 的几个示例：

    APP_ABI := arm64-v8a  # Target only arm64-v8a
APP_ABI := all  # Target all ABIs, including those that are deprecated.
APP_ABI := armeabi-v7a x86_64  # Target only armeabi-v7a and x86_64.

    如需详细了解可以为 APP_ABI 指定的值，请参阅 Application.mk。

    CMake

    使用 CMake 时，您一次只能为一个 ABI 构建，并且必须明确指定您的 ABI。您可以通过 ANDROID_ABI 变量来做到这一点，该变量必须在命令行上指定（不能在您的 CMakeLists.txt 中设置）。例如：

    $ cmake -DANDROID_ABI=arm64-v8a ...
$ cmake -DANDROID_ABI=armeabi-v7a ...
$ cmake -DANDROID_ABI=x86 ...
$ cmake -DANDROID_ABI=x86_64 ...

    对于使用 NDK 构建时必须传递给 CMake 的其他标志，请参阅 CMake 指南。

    构建系统的默认行为是将每个 ABI 的二进制文件包含在一个 APK 中，也称为胖 APK。胖 APK 比仅包含单个 ABI 二进制文件的 APK 大得多；权衡是获得了更广泛的兼容性，但代价是 APK 文件更大。强烈建议您利用 App Bundle 或 APK Splits 来减小 APK 的大小，同时仍保持最大的设备兼容性。

    安装时，软件包管理器仅解压针对目标设备最合适的机器代码。有关详细信息，请参阅安装时自动提取原生代码。

    Android 平台上的 ABI 管理

    本部分提供了有关 Android 平台如何管理 APK 中的原生代码的详细信息。

    应用包中的原生代码

    Play 商店和软件包管理器都期望在 APK 内部符合以下模式的文件路径上找到 NDK 生成的库：

    /lib/<abi>/lib<name>.so

    在此，<abi> 是支持的 ABI 下列出的 ABI 名称之一，<name> 是您在 Android.mk 文件中为 LOCAL_MODULE 变量定义的库名称。由于 APK 文件只是 zip 文件，因此打开它们并确认共享原生库位于正确位置非常容易。

    如果系统在预期位置找不到原生共享库，则无法使用它们。在这种情况下，应用本身必须将库复制过去，然后执行 dlopen()。

    在胖 APK 中，每个库都位于与相应 ABI 名称匹配的目录下。例如，一个胖 APK 可能包含：

    /lib/armeabi/libfoo.so
/lib/armeabi-v7a/libfoo.so
/lib/arm64-v8a/libfoo.so
/lib/x86/libfoo.so
/lib/x86_64/libfoo.so

    注意： 运行 4.0.3 或更早版本的基于 ARMv7 的 Android 设备，如果同时存在 armeabi 目录和 armeabi-v7a 目录，将从 armeabi 目录安装原生库，而不是从 armeabi-v7a 目录安装。这是因为在 APK 中，/lib/armeabi/ 位于 /lib/armeabi-v7a/ 之后。此问题已在 4.0.4 及更高版本中修复。

    Android 平台 ABI 支持

    Android 系统在运行时知道它支持哪些 ABI，因为特定于构建的系统属性会指示：

    • 设备的主 ABI，对应于系统映像本身使用的机器代码。
    • 可选的次要 ABI，对应于系统映像也支持的其他 ABI。

    这种机制确保系统在安装时从软件包中提取最佳机器代码。

    为了获得最佳性能，您应该直接为主 ABI 进行编译。例如，典型的基于 ARMv5TE 的设备仅定义主 ABI：armeabi。相比之下，典型的基于 ARMv7 的设备将主 ABI 定义为 armeabi-v7a，次要 ABI 定义为 armeabi，因为它能够运行为这两种 ABI 生成的应用原生二进制文件。

    64 位设备也支持其 32 位变体。以 arm64-v8a 设备为例，该设备也可以运行 armeabi 和 armeabi-v7a 代码。然而请注意，如果您的应用针对 arm64-v8a 构建，而不是依赖设备运行 armeabi-v7a 版本的应用，则在 64 位设备上的性能会好得多。

    许多基于 x86 的设备也可以运行 armeabi-v7a 和 armeabi NDK 二进制文件。对于此类设备，主 ABI 将是 x86，次要 ABI 将是 armeabi-v7a。

    您可以强制安装特定 ABI 的 apk。这对于测试很有用。使用以下命令：

    adb install --abi abi-identifier path_to_apk

    安装时自动提取原生代码

    安装应用时，软件包管理器服务会扫描 APK，并查找以下形式的共享库：

    lib/<primary-abi>/lib<name>.so

    如果未找到，并且您定义了次要 ABI，则服务会扫描以下形式的共享库：

    lib/<secondary-abi>/lib<name>.so

    当找到所需的库时，软件包管理器会将它们复制到应用的本地库目录 (<nativeLibraryDir>/) 下的 /lib/lib<name>.so。以下代码片段检索 nativeLibraryDir：

    Kotlin

    import android.content.pm.PackageInfo
import android.content.pm.ApplicationInfo
import android.content.pm.PackageManager
...
val ainfo = this.applicationContext.packageManager.getApplicationInfo(
        "com.domain.app",
        PackageManager.GET_SHARED_LIBRARY_FILES
)
Log.v(TAG, "native library dir ${ainfo.nativeLibraryDir}")

    Java

    import android.content.pm.PackageInfo;
import android.content.pm.ApplicationInfo;
import android.content.pm.PackageManager;
...
ApplicationInfo ainfo = this.getApplicationContext().getPackageManager().getApplicationInfo
(
    "com.domain.app",
    PackageManager.GET_SHARED_LIBRARY_FILES
);
Log.v( TAG, "native library dir " + ainfo.nativeLibraryDir );

    如果根本没有共享对象文件，则应用会构建并安装，但在运行时会崩溃。

    ARMv9：为 C/C++ 启用 PAC 和 BTI

    启用 PAC/BTI 将提供针对某些攻击向量的保护。PAC 通过在函数的序言中对返回地址进行加密签名，并在结尾中检查返回地址是否仍然正确签名来保护返回地址。BTI 通过要求每个分支目标都是一条特殊的指令来防止跳到代码中的任意位置，该指令除了告诉处理器可以在此处着陆之外不执行任何操作。

    Android 使用 PAC/BTI 指令，这些指令在不支持新指令的旧处理器上不起作用。只有 ARMv9 设备会具有 PAC/BTI 保护，但您也可以在 ARMv8 设备上运行相同的代码：无需为您的库提供多个变体。即使在 ARMv9 设备上，PAC/BTI 也仅适用于 64 位代码。

    启用 PAC/BTI 会导致代码大小略微增加，通常为 1%。

    有关 PAC/BTI 针对的攻击向量以及保护工作原理的详细说明，请参阅 Arm 的了解架构 - 为复杂软件提供保护（PDF）。

    构建更改

    ndk-build

    在 Android.mk 的每个模块中设置 LOCAL_BRANCH_PROTECTION := standard。

    CMake

    在 CMakeLists.txt 中为每个目标使用 target_compile_options($TARGET PRIVATE -mbranch-protection=standard)。

    其他构建系统

    使用 -mbranch-protection=standard 编译您的代码。此标志仅在为 arm64-v8a ABI 编译时有效。链接时不需要使用此标志。

    故障排除

    我们目前没有发现编译器对 PAC/BTI 支持的任何问题，但是：

    • 链接时注意不要混合 BTI 和非 BTI 代码，因为这会导致生成的库未启用 BTI 保护。您可以使用 llvm-readelf 检查生成的库是否包含 BTI 标记。
    $ llvm-readelf --notes LIBRARY.so
[...]
Displaying notes found in: .note.gnu.property
  Owner                Data size    Description
  GNU                  0x00000010   NT_GNU_PROPERTY_TYPE_0 (property note)
    Properties:    aarch64 feature: BTI, PAC
[...]
$

    • 旧版本的 OpenSSL（1.1.1i 之前）在手写汇编代码中存在导致 PAC 失败的错误。请升级到当前版本的 OpenSSL。

    • 某些应用 DRM 系统的旧版本生成的代码违反了 PAC/BTI 要求。如果您正在使用应用 DRM 并在启用 PAC/BTI 时遇到问题，请联系您的 DRM 供应商获取修复版本。