ABI 管理

不同的 Android 手机使用不同的 CPU,而不同的 CPU 支持不同的指令集。CPU 与指令集的每种组合都有专属的应用二进制接口,即 ABI。ABI 可以非常精确地定义应用的机器代码在运行时如何与系统交互。您必须为应用要使用的每个 CPU 架构指定 ABI。

典型的 ABI 包含以下信息:

  • 机器代码应使用的 CPU 指令集。
  • 运行时内存存储和加载的字节顺序。
  • 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。
  • 在代码与系统之间传递数据的各种规范。这些规范包括对齐限制,以及系统调用函数时如何使用堆栈和寄存器。
  • 运行时可用于机器代码的函数符号列表 - 通常来自非常具体的库集。

本页列举了 NDK 支持的 ABI,并且介绍了每个 ABI 的运行原理。如需 32 位系统上的 ABI 问题列表,请参阅 32 位 ABI 错误

支持的 ABI

每个 ABI 支持一个或多个指令集。表 1 概述了每个 ABI 支持的指令集。

表 1. ABI 和支持的指令集。

ABI 支持的指令集 备注
armeabi
  • ARMV5TE 和更高版本
  • Thumb-1
  • 在 r16 中已弃用。在 r17 中已移除。无硬浮点数。
    armeabi-v7a
  • armeabi
  • Thumb-2
  • VFPv3-D16
  • 其他(可选)
  • 与 ARMv5、ARMv6 设备不兼容。
    arm64-v8a
  • AArch64
  • 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
  • 注意:NDK 以前支持 32 位和 64 位 MIPS,但这项支持已在 NDK r17 中移除。

    下面提供了关于每个 ABI 的更多详细信息。

    armeabi

    注意:此 ABI 已在 NDK r17 中移除。

    此 ABI 适用于基于 ARM、至少支持 ARMv5TE 指令集的 CPU。详情请参阅以下文档:

    AAPCS 标准将 EABI 定义为类似但不同 ABI 的系列。此外,Android 还采用小字节序 ARM GNU/Linux ABI

    此 ABI 不支持硬件辅助的浮点运算。相反,所有浮点运算都使用编译器的 libgcc.a 静态库中的软件辅助函数。

    armeabi ABI 支持 ARM 的 Thumb(亦称 Thumb-1)指令集。NDK 默认生成 Thumb 代码,除非您在 Android.mk 文件中使用 LOCAL_ARM_MODE 变量指定不同的行为。

    armeabi-v7a

    此 ABI 可扩展 armeabi 以包含多个 CPU 扩展指令集。此 Android 特定 ABI 支持的扩展指令包括:

    • Thumb-2 扩展指令集,其性能堪比 32 位 ARM 指令,简洁性类似于 Thumb-1。
    • VFP 硬件 FPU 指令。更具体一点,是指 VFPv3-D16,它除了 ARM 核心中的 16 个 32 位寄存器之外,还包含 16 个专用 64 位浮点寄存器。

    v7-a ARM 规范描述的其他扩展指令集,包括高级 SIMD(亦称 NEON)、VFPv3-D32 和 ThumbEE,都是此 ABI 的可选扩展指令集。由于不能保证它们存在,因此系统在运行时应检查扩展指令集是否可用。如果不可用,您必须使用替代代码路径。此检查类似于系统在检查或使用 MMXSSE2 及 x86 CPU 上其他专用指令集时所执行的检查。

    要了解如何执行这些运行时检查,请参阅 cpufeatures。此外,如需有关 NDK 支持为 NEON 编译机器代码的信息,请参阅 NEON 支持

    armeabi-v7a ABI 使用 -mfloat-abi=softfp 开关强制实施以下规则:编译器在函数调用期间必须传递核心寄存器对中的所有双精度值,而不是专用浮点值。系统可以使用 FP 寄存器执行所有内部计算。这样可极大地提高计算速度。

    arm64-v8a

    此 ABI 适用于基于 ARMv8、支持 AArch64 的 CPU。它还包含 NEON 和 VFPv4 指令集。

    如需了解更多信息,请参阅 ARMv8 技术预览,并联系 ARM 进一步了解详情。

    x86

    此 ABI 适用于支持通常称为“x86”或“IA-32”的指令集的 CPU。此 ABI 的特性包括:

    • 指令一般由具有编译器标记的 GCC 生成,如下所示:
          -march=i686 -mtune=intel -mssse3 -mfpmath=sse -m32
          

      这些标记指向 Pentium Pro 指令集,以及 MMXSSESSE2SSE3SSSE3 扩展指令集。生成的代码在顶层 Intel 32 位 CPU 之间进行了均衡优化。

      如需了解有关编译器标记的更多信息,特别是与性能优化相关的信息,请参阅 GCC x86 性能提示

    • 使用标准 Linux x86 32 位调用规范,与 SVR 使用的规范相反。详情请参阅不同 C++ 编译器和操作系统的调用规范的第 6 部分“寄存器的使用”。

    ABI 不含任何其他可选 IA-32 扩展指令集,例如:

    • MOVBE
    • SSE4 的任何变体。

    您仍可使用这些扩展指令集,只要您使用运行时功能探测来启用它们,并且为不支持它们的设备提供回退机制。

    NDK 工具链假设在函数调用之前进行 16 字节堆栈对齐。默认工具和选项会强制实施此规则。如果编写的是汇编代码,必须确保堆栈对齐,而且其他编译器也遵守此规则。

    请参阅以下文档了解更多详情:

    x86_64

    此 ABI 适用于支持通常称为“x86-64”的指令集的 CPU。它支持 GCC 通常使用以下编译器标记生成的指令:

        -march=x86-64 -msse4.2 -mpopcnt -m64 -mtune=intel
        

    这些标记指向 x86-64 指令集(根据 GCC 文档),以及 MMXSSESSE2SSE3SSSE3SSE4.1SSE4.2POPCNT 扩展指令集。生成的代码在顶层 Intel 64 位 CPU 之间进行了均衡优化。

    如需了解有关编译器标记的更多信息,特别是与性能优化相关的信息,请参阅 GCC x86 性能

    此 ABI 不含任何其他可选的 x86-64 扩展指令集,例如:

    • MOVBE
    • SHA
    • AVX
    • AVX2

    您仍可使用这些扩展指令集,只要您使用运行时功能探测来启用它们,并且为不支持它们的设备提供回退机制。

    请参阅以下文档了解更多详情:

    为特定 ABI 生成代码

    默认情况下,NDK 指向所有非弃用 ABI。您可通过在 Application.mk 文件中设置 APP_ABI 来指向单个 ABI。以下代码段演示了使用 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.
        

    要详细了解您可以为 APP_ABI 变量指定的值,请参阅 Android.mk

    编译系统的默认行为是将每个 ABI 的二进制文件包括在单个 APK(也称为胖 APK)内。与仅包含单个 ABI 的二进制文件的 APK 相比,胖 APK 要大得多;要权衡的是兼容性更广,但 APK 更大。强烈建议您利用拆分 APK 减小 APK 的大小,同时仍保持最大限度的设备兼容性。

    在安装时,软件包管理器只解压缩最适合目标设备的机器代码。详情请参阅安装时自动解压缩原生代码

    Android 平台上的 ABI 管理

    本部分详细说明了 Android 平台如何管理 APK 中的原生代码。

    应用软件包中的原生代码

    Play 商店和软件包管理器都希望能在 APK 中符合以下格式的文件路径上找到 NDK 生成的库:

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

    其中,<abi>支持的 ABI 下列出的 ABI 名称之一,<name> 是您为 Android.mk 文件中的 LOCAL_MODULE 变量定义库时使用的库名称。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该位于的位置很简单。

    如果系统在预期位置找不到原生共享库,便无法使用它们。在这种情况下,应用本身必须复制这些库,然后执行 dlopen()

    在胖 APK 中,每个库位于名称与相应 ABI 匹配的目录下。例如,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:搭载 4.0.3 或更早版本、基于 ARMv7 的 Android 设备从 armeabi 目录(而非 armeabi-v7a 目录,如果两个目录都存在)安装原生库。这是因为在 APK 中,/lib/armeabi//lib/armeabi-v7a/ 后面。从 4.0.4 开始,此问题已修复。

    Android 平台 ABI 支持

    Android 系统在运行时知道它支持哪些 ABI,因为版本特定的系统属性会指示:

    • 设备的主要 ABI,与系统映像本身使用的机器代码对应。
    • (可选)与系统映像也支持的其他 ABI 对应的辅助 ABI。

    此机制确保系统在安装时从软件包提取最佳机器代码。

    为实现最佳性能,应直接针对主要 ABI 进行编译。例如,基于 ARMv5TE 的典型设备只会定义主要 ABI:armeabi。相反,基于 ARMv7 的典型设备将主要 ABI 定义为 armeabi-v7a,并将辅助 ABI 定义为 armeabi,因为它可以运行为每个 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。但请注意,如果应用以 arm64-v8a 为目标,而非依赖于运行 armeabi-v7a 版应用的设备,应用在 64 位设备上的性能要好得多。

    许多基于 x86 的设备也可运行 armeabi-v7aarmeabi NDK 二进制文件。对于这些设备,主要 ABI 将是 x86,辅助 ABI 是 armeabi-v7a

    安装时自动解压缩原生代码

    安装应用时,软件包管理器服务将扫描 APK,并查找以下形式的任何共享库:

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

    如果未找到,并且您已定义辅助 ABI,该服务将扫描以下形式的共享库:

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

    找到所需的库时,软件包管理器会将它们复制到应用的 data 目录 (data/data/<package_name>/lib/) 下的 /lib/lib<name>.so

    如果根本没有共享对象文件,应用也会编译并安装,但在运行时会崩溃。