Android ABI

不同的 Android 设备使用不同的 CPU，这些 CPU 反过来支持不同的指令集。CPU 和指令集的每种组合都有自己的应用程序二进制接口 (ABI)。ABI 包括以下信息

  • 可以使用的 CPU 指令集（和扩展）。
  • 运行时内存存储和加载的字节序。Android 始终是小端。
  • 应用程序和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堆栈和寄存器。
  • 可执行二进制文件（例如程序和共享库）的格式以及它们支持的内容类型。Android 始终使用 ELF。有关更多信息，请参阅 ELF System V Application Binary Interface。
  • C++ 名称的修饰方式。有关更多信息，请参阅 Generic/Itanium C++ ABI。

此页面枚举了 NDK 支持的 ABI，并提供有关每个 ABI 工作原理的信息。

ABI 也可以指平台支持的本机 API。有关影响 32 位系统的此类 ABI 问题的列表，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 说明
armeabi-v7a
  • armeabi
  • Thumb-2
  • Neon
    		•  与 ARMv5/v6 设备不兼容。
    arm64-v8a
  • AArch64
    		•  仅限 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
    		•  完整 x86-64-v1，但仅部分 x86-64-v2（没有 CMPXCHG16B 或 LAHF-SAHF）。

    注意：从历史上看，NDK 支持 ARMv5 (armeabi) 以及 32 位和 64 位 MIPS，但 NDK r17 中已删除对这些 ABI 的支持。

    armeabi-v7a

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

    有关 ABI 中非 Android 特定部分的信息，请参阅 Application Binary Interface (ABI) for the ARM Architecture

    除非您在 Android.mk 中使用 LOCAL_ARM_MODE（用于 ndk-build）或在配置 CMake 时使用 ANDROID_ARM_MODE，否则 NDK 的构建系统默认会生成 Thumb-2 代码。

    有关 Neon 历史的更多信息，请参阅 Neon 支持。

    出于历史原因，此 ABI 使用 -mfloat-abi=softfp，导致在进行函数调用时所有 float 值都通过整数寄存器传递，而所有 double 值都通过整数寄存器对传递。尽管名称如此，但这只会影响浮点调用约定：编译器仍会对算术运算使用硬件浮点指令。

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

    arm64-v8a

    此 ABI 适用于 64 位 ARM CPU。

    有关 ABI 中非 Android 特定部分的完整详细信息，请参阅 Arm 的 了解架构。Arm 还提供了一些移植建议，详见 64 位 Android 开发。

    您可以在 C 和 C++ 代码中使用 Neon 内联函数 来利用高级 SIMD 扩展。 Neon 程序员指南 for Armv8-A 提供了有关 Neon 内联函数和 Neon 编程的更多信息。

    在 Android 上，特定于平台的 x18 寄存器保留用于 ShadowCallStack，您的代码不应触碰它。当前版本的 Clang 在 Android 上默认使用 -ffixed-x18 选项，因此除非您编写了手工汇编代码（或使用非常旧的编译器），否则您无需担心这个问题。

    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 或任何版本的 SSE4。您仍然可以使用这些扩展，只要您使用运行时功能探测来启用它们，并为不支持它们的设备提供回退。

    NDK 工具链假设函数调用之前堆栈对齐为 16 字节。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，则必须确保维护堆栈对齐，并确保其他编译器也遵守此规则。

    有关更多详细信息，请参阅以下文档

    此 ABI 使用 64 位 long double (IEEE binary64，与 double 相同，而不是更常见的 80 位仅 Intel 的 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 或任何版本的 AVX。您仍然可以使用这些扩展，只要您使用运行时功能探测来启用它们，并为不支持它们的设备提供回退。

    有关更多详细信息，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 还是从命令行使用）默认情况下会为所有非弃用 ABI 构建。要限制应用程序支持的 ABI 集，请使用 abiFilters。例如，要仅为 64 位 ABI 构建，请在您的 build.gradle 中设置以下配置

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

    ndk-build

    ndk-build 默认情况下会为所有非弃用 ABI 构建。您可以通过在您的 Application.mk 文件中设置 APP_ABI 来针对特定 ABI。以下代码片段展示了使用 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.

    有关您可以为 APP_ABI 指定的值的更多信息，请参阅 Application.mk。

    CMake

    使用 CMake，您一次为一个 ABI 构建，并且必须显式指定您的 ABI。您可以使用 ANDROID_ABI 变量来执行此操作，该变量必须在命令行中指定（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 ...

    有关必须传递给 CMake 以使用 NDK 构建的其他标志，请参阅 CMake 指南。

    构建系统的默认行为是在单个 APK 中包含每个 ABI 的二进制文件，也称为 fat APK。fat APK 比仅包含单个 ABI 的二进制文件的 APK 大得多；权衡是获得更广泛的兼容性，但以更大的 APK 为代价。强烈建议您利用 App Bundles 或 APK 分割 来减小 APK 的大小，同时保持最大程度的设备兼容性。

    在安装时，包管理器只解压最适合目标设备的机器代码。有关详细信息，请参阅 安装时自动提取本机代码。

    Android 平台上的 ABI 管理

    本节提供有关 Android 平台如何在 APK 中管理本机代码的详细信息。

    应用程序包中的本机代码

    Play 商店和包管理器都期望在 APK 中匹配以下模式的文件路径上找到 NDK 生成的库

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

    这里，<abi> 是 支持的 ABI 下列出的 ABI 名称之一，<name> 是库的名称，如您在 Android.mk 文件中为 LOCAL_MODULE 变量定义的那样。由于 APK 文件只是 zip 文件，因此打开它们并确认共享本机库位于它们应该在的位置非常容易。

    如果系统没有在它期望的位置找到本机共享库，它就不能使用它们。在这种情况下，应用程序本身必须将库复制过去，然后执行 dlopen()。

    在一个 fat APK 中，每个库都位于一个目录下，该目录的名称与相应的 ABI 匹配。例如，一个 fat 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 设备会从 armeabi 目录而不是 armeabi-v7a 目录安装本机库，如果这两个目录都存在。这是因为 /lib/armeabi/ 在 APK 中位于 /lib/armeabi-v7a/ 之后。这个问题从 4.0.4 开始得到修复。

    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指示

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

    此机制确保系统在安装时从包中提取最佳机器代码。

    为了获得最佳性能，您应该直接针对主 ABI 进行编译。例如，典型的基于 ARMv5TE 的设备将只定义主 ABI：armeabi。相反，典型的基于 ARMv7 的设备会将主 ABI 定义为 armeabi-v7a，并将辅助 ABI 定义为 armeabi，因为它可以运行为它们中的每一个生成的应用程序本机二进制文件。

    64 位设备也支持它们的 32 位变体。以 arm64-v8a 设备为例，该设备还可以运行 armeabi 和 armeabi-v7a 代码。但是请注意，如果您的应用程序针对 arm64-v8a 而不是依赖设备运行 armeabi-v7a 版本的应用程序，那么您的应用程序在 64 位设备上的性能会更好。

    许多基于 x86 的设备还可以运行 armeabi-v7a 和 armeabi NDK 二进制文件。对于此类设备，主 ABI 将是 x86，而第二个 ABI 将是 armeabi-v7a。

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

    adb install --abi abi-identifier path_to_apk

    安装时自动提取本机代码

    安装应用程序时，包管理器服务会扫描 APK，并查找任何形式的共享库

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

    如果未找到，并且您定义了辅助 ABI，则服务会扫描以下形式的共享库

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

    当找到它要查找的库时，包管理器会将它们复制到应用程序的本机库目录 (<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 );

    如果没有共享对象文件，应用程序会构建并安装，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检查返回地址在尾声中是否仍然被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个特殊指令来阻止跳转到代码中的任意位置，该指令除了告诉处理器可以到达那里之外，什么也不做。

    Android 使用在不支持新指令的旧处理器上不执行任何操作的 PAC/BTI 指令。只有 ARMv9 设备将具有 PAC/BTI 保护，但您也可以在 ARMv8 设备上运行相同的代码：无需多个库变体。即使在 ARMv9 设备上，PAC/BTI 也只适用于 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 目标攻击向量的详细说明以及保护机制的工作原理，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

    在您的 CMakeLists.txt 中，对每个目标使用 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。链接时无需使用此标志。

    故障排除

    我们不知道编译器对 PAC/BTI 支持有任何问题，但是

    • 注意不要在链接时混合 BTI 和非 BTI 代码，因为这会导致库没有启用 BTI 保护。您可以使用 llvm-readelf 检查您的最终库是否具有 BTI 注解。
    $ 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 之前版本）在手写汇编中存在导致 PAC 失败的错误。请升级到当前的 OpenSSL。

    • 一些应用程序 DRM 系统的旧版本会生成违反 PAC/BTI 要求的代码。如果您正在使用应用程序 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。