ABI Android

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I diversi dispositivi Android utilizzano CPU diverse, che a loro volta supportano diversi set di istruzioni. Ogni combinazione di CPU e set di istruzioni ha la propria ABI (Application Binary Interface). Un ABI include le seguenti informazioni:

• Il set di istruzioni (e le estensioni) della CPU che possono essere utilizzati.
• L'endianness delle memorie archiviate e caricate in fase di runtime. Android è sempre little-endian.
• Convenzioni per il passaggio di dati tra le applicazioni e il sistema, inclusi i vincoli di allineamento e il modo in cui il sistema utilizza lo stack e le registrazioni quando chiama le funzioni.
• Il formato dei file eseguibili binari, come programmi e librerie condivise, e i tipi di contenuti supportati. Android utilizza sempre ELF. Per ulteriori informazioni, consulta la pagina ELF System V Application Binary Interface.
• Come vengono alterati i nomi C++. Per ulteriori informazioni, consulta Generic/Itanium C++ ABI.

Questa pagina elenca le ABI supportate dall'NDK e fornisce informazioni sul funzionamento di ciascuna ABI.

L'ABI può fare riferimento anche all'API nativa supportata dalla piattaforma. Per un elenco di questi tipi di problemi relativi all'ABI che interessano i sistemi a 32 bit, consulta Bug relativi all'ABI a 32 bit.

ABI supportati

Tabella 1. ABI e set di istruzioni supportati.

Nota:in passato, l'NDK supportava ARMv5 (armeabi) e MIPS a 32 e 64 bit, ma il supporto di queste ABI è stato rimosso nella versione NDK r17.

armeabi-v7a

Questo ABI è per CPU ARM a 32 bit. Sono inclusi Thumb-2 e Neon.

Per informazioni sulle parti dell'ABI non specifiche di Android, consulta Application Binary Interface (ABI) per l'architettura ARM

I sistemi di compilazione dell'NDK generano codice Thumb-2 per impostazione predefinita, a meno che non utilizzi LOCAL_ARM_MODE in Android.mk per ndk-build o ANDROID_ARM_MODE durante la configurazione di CMake.

Per ulteriori informazioni sulla cronologia di Neon, visita la pagina Assistenza Neon.

Per motivi storici, questo ABI utilizza -mfloat-abi=softfp, il che fa sì che tutti i valori float siano passati in registri interi e tutti i valori double siano passati in coppie di registri interi quando vengono eseguite chiamate di funzione. Nonostante il nome, questo influisce solo sulla convenzione di chiamata in virgola mobile: il compilatore userà comunque le istruzioni hardware in virgola mobile per l'aritmetica.

Questa ABI utilizza un long double a 64 bit (IEEE binary64, come double).

arm64-v8a

Questo ABI è destinato alle CPU ARM a 64 bit.

Consulta la pagina Scopri l'architettura di Arm per informazioni dettagliate sulle parti dell'ABI non specifiche per Android. Arm offre anche alcuni consigli per il porting in Sviluppo Android a 64 bit.

Puoi utilizzare le istruzioni intrinseche Neon nel codice C e C++ per sfruttare l'estensione SIMD avanzata. La Guida per programmatori di Neon per Armv8-A fornisce ulteriori informazioni sulle istruzioni intrinseche Neon e sulla programmazione Neon in generale.

Su Android, il registro x18 specifico della piattaforma è riservato per ShadowCallStack e non deve essere modificato dal codice. Per impostazione predefinita, le versioni attuali di Clang utilizzano l'opzione -ffixed-x18 su Android, quindi, a meno che tu non abbia assembly scritto a mano (o un compilatore molto vecchio), non dovresti preoccuparti di questo.

Questa ABI utilizza un long double a 128 bit (IEEE binary128).

x86

Questo ABI è destinato alle CPU che supportano l'insieme di istruzioni comunemente noto come "x86", "i386" o "IA-32".

L'ABI di Android include l'insieme di istruzioni di base più le estensioni MMX, SSE, SSE2, SSE3 e SSSE3.

L'ABI non include altre estensioni facoltative del set di istruzioni IA-32 come MOVBE o qualsiasi variante di SSE4. Puoi comunque utilizzare queste estensioni, a condizione di utilizzare il rilevamento delle funzionalità di runtime per attivarle e di fornire soluzioni alternative per i dispositivi che non le supportano.

La toolchain NDK presuppone l'allineamento dello stack di 16 byte prima di una chiamata di funzione. Gli strumenti e le opzioni predefinite applicano questa regola. Se stai scrivendo codice assembly, devi assicurarti di mantenere l'allineamento della pila e di fare in modo che anche gli altri compilatori rispettino questa regola.

Per ulteriori dettagli, consulta i seguenti documenti:

• Convenzioni di chiamata per diversi compilatori e sistemi operativi C++
• Manuale dello sviluppatore software Intel IA-32, Volume 2: Informazioni di riferimento sull'istruzione
• Manuale dello sviluppatore di software per l'architettura Intel IA-32, Volume 3: Guida alla programmazione di sistema
• System V Application Binary Interface: Intel386 Processor Architecture Supplement

Questa ABI utilizza un long double a 64 bit (IEEE binary64 come double e non il più comune long double a 80 bit solo per Intel).

x86_64

Questo ABI è destinato alle CPU che supportano l'insieme di istruzioni comunemente indicato come "x86-64".

L'ABI di Android include l'insieme di istruzioni di base più MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2 e l'istruzione POPCNT.

L'ABI non include altre estensioni facoltative del set di istruzioni x86-64 come MOVBE, SHA o qualsiasi variante di AVX. Puoi comunque utilizzare queste estensioni, a condizione di utilizzare il rilevamento delle funzionalità di runtime per attivarle e di fornire soluzioni alternative per i dispositivi che non le supportano.

Per ulteriori dettagli, consulta i seguenti documenti:

• Convenzioni di chiamata per diversi compilatori e sistemi operativi C++
• Manuale dello sviluppatore software per le architetture Intel64 e IA-32, Volume 2: Riferimento al set di istruzioni
• Manuale dello sviluppatore software per l'architettura Intel per Intel64 e IA-32, Volume 3: Programmazione di sistema

Questa ABI utilizza un long double a 128 bit (IEEE binary128).

Generare codice per un ABI specifico

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

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.

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

Il comportamento predefinito del sistema di compilazione è includere i binari per ogni ABI in un singolo APK, noto anche come APK fat. Un APK fat è molto più grande di uno che contiene solo i binari per un singolo ABI. Il compromesso è una maggiore compatibilità, ma a spese di un APK più grande. Ti consigliamo vivamente di utilizzare gli app bundle o le partizioni APK per ridurre le dimensioni degli APK mantenendo al contempo la massima compatibilità con i dispositivi.

Al momento dell'installazione, il gestore dei pacchetti estrae solo il codice macchina più appropriato per il dispositivo di destinazione. Per maggiori dettagli, consulta Estrazione automatica del codice nativo al momento dell'installazione.

Gestione dell'ABI sulla piattaforma Android

Questa sezione fornisce dettagli su come la piattaforma Android gestisce il codice nativo negli APK.

Codice nativo nei pacchetti di app

Sia il Play Store sia Package Manager si aspettano di trovare le librerie generate da NDK nei percorsi file all'interno dell'APK che corrispondono al seguente pattern:

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

Qui, <abi> è uno dei nomi ABI elencati in ABI supportati e <name> è il nome della libreria così come definito per la variabile LOCAL_MODULE nel file Android.mk. Poiché i file APK sono solo file ZIP, è facile aprirli e verificare che le librerie native condivise siano al loro posto.

Se il sistema non trova le librerie condivise native dove si aspetta, non può usarle. In questo caso, l'app stessa deve copiare le librerie e poi eseguire dlopen().

In un APK fat, ogni libreria si trova in una directory il cui nome corrisponde a un ABI corrispondente. Ad esempio, un APK grande può contenere:

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

Nota:i dispositivi Android basati su ARMv7 con Android 4.0.3 o versioni precedenti installano le librerie native dalla directory armeabi anziché dalla directory armeabi-v7a se entrambe le directory esistono. Questo perché /lib/armeabi/ segue /lib/armeabi-v7a/ nell'APK. Questo problema è stato risolto a partire dalla versione 4.0.4.

Supporto ABI della piattaforma Android

Il sistema Android sa in fase di esecuzione quali ABI supporta, perché le proprietà del sistema specifiche della compilazione indicano:

• L'ABI principale per il dispositivo, corrispondente al codice macchina utilizzato nell'immagine di sistema stessa.
• Facoltativamente, ABI secondari corrispondenti ad altri ABI supportati anche dall'immagine di sistema.

Questo meccanismo garantisce che il sistema estragga il codice macchina migliore dal pacchetto al momento dell'installazione.

Per un rendimento ottimale, devi compilare direttamente per l'ABI principale. Ad esempio, un tipico dispositivo basato su ARMv5TE definisce solo l'ABI principale: armeabi. Al contrario, un tipico dispositivo basato su ARMv7 definirebbe l'ABI principale come armeabi-v7a e quello secondario come armeabi, poiché può eseguire i binari nativi dell'applicazione generati per ciascuno di essi.

I dispositivi a 64 bit supportano anche le varianti a 32 bit. Utilizzando i dispositivi arm64-v8a come esempio, il dispositivo può anche eseguire codice armeabi e armeabi-v7a. Tieni tuttavia presente che l'applicazione avrà un rendimento molto migliore sui dispositivi a 64 bit se ha come target arm64-v8a anziché fare affidamento sul dispositivo che esegue la versione armeabi-v7a della tua applicazione.

Molti dispositivi basati su x86 possono anche eseguire i binari NDK armeabi-v7a e armeabi. Per questi dispositivi, l'ABI principale sarà x86 e il secondo armeabi-v7a.

Puoi forzare l'installazione di un APK per un ABI specifico. Questo è utile per i test. Utilizza il seguente comando:

adb install --abi abi-identifier path_to_apk

Estrazione automatica del codice nativo al momento dell'installazione

Quando installi un'applicazione, il servizio di gestione pacchetti esegue la scansione dell'APK e cerca eventuali librerie condivise del seguente tipo:

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

Se non ne viene trovata nessuna e hai definito un ABI secondario, il servizio cerca le librerie condivise del tipo:

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

Quando trova le librerie che cerca, il gestore del pacchetto le copia in /lib/lib<name>.so, nella directory della libreria nativa dell'applicazione (<nativeLibraryDir>/). I seguenti snippet recuperano nativeLibraryDir:

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}")

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 );

Se non è presente alcun file di oggetti condivisi, l'applicazione viene compilata e installata, ma si arresta in modo anomalo in fase di esecuzione.

ARMv9: attivazione di PAC e BTI per C/C++

L'attivazione di PAC/BTI fornisce protezione contro alcuni vettori di attacco. Il PAC protegge gli indirizzi di ritorno sottoscrivendoli in modo crittografico nel prelogo di una funzione e controllando che l'indirizzo di ritorno sia ancora correttamente firmato nel post-epilogo. BTI impedisce di saltare a posizioni arbitrarie nel codice richiedendo che ogni target di ramo sia un'istruzione speciale che non fa altro che dire al processore che è consentito eseguire il salto lì.

Android utilizza istruzioni PAC/BTI che non fanno nulla sui processori meno recenti che non supportano le nuove istruzioni. Solo i dispositivi ARMv9 avranno la protezione PAC/BTI, ma puoi eseguire lo stesso codice anche sui dispositivi ARMv8: non è necessaria la presenza di più varianti della raccolta. Anche sui dispositivi ARMv9, PAC/BTI si applica solo al codice a 64 bit.

L'attivazione di PAC/BTI causerà un leggero aumento delle dimensioni del codice, in genere dell'1%.

Consulta la pagina Scopri l'architettura: fornire protezione per software complesso (PDF) di Arm per una spiegazione dettagliata dei vettori di attacco target PAC/BTI e di come funziona la protezione.

Modifiche alla compilazione

Risoluzione dei problemi

Non siamo a conoscenza di problemi con il supporto del compilatore per PAC/BTI, ma:

• Fai attenzione a non combinare codice BTI e non BTI durante il collegamento, perché in questo modo la libreria non avrà la protezione BTI abilitata. Puoi utilizzare llvm-readelf per verificare se la libreria risultante contiene o meno la nota BTI.

$ 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
[...]
$

• Le versioni precedenti di OpenSSL (precedenti alla 1.1.1i) presentano un bug nell'assembler scritto a mano che causa errori PAC. Esegui l'upgrade alla versione corrente di OpenSSL.

• Le versioni precedenti di alcuni sistemi DRM per app generano codice che viola i requisiti PAC/BTI. Se utilizzi il DRM per le app e riscontri problemi durante l'attivazione di PAC/BTI, contatta il tuo fornitore DRM per richiedere una versione corretta.