Android ABI

不同的 Android 设备使用不同的 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 (ABI)。ABI 包含以下信息：

• 可使用的 CPU 指令集（和扩展指令集）。
• 运行时内存存储和加载的字节顺序。Android 始终是 little-endian。
• 在应用和系统之间传递数据的规范（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。
• 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。如需了解详情，请参阅 ELF System V 应用二进制接口。
• 如何重整 C++ 名称。如需了解详情，请参阅 Generic/Itanium C++ ABI。

本页列举了 NDK 支持的 ABI，并且介绍了每个 ABI 的运行原理。

ABI 还可以指平台支持的原生 API。如需影响 32 位系统的此类 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	备注
armeabi-v7a	armeabi Thumb-2 霓虹灯光	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 但只有部分 x86-64-v2（无 CMPXCHG16B 或 LAHF-SAHF）。

注意：NDK 以前支持 ARMv5 (armeabi) 以及 32 位和 64 位 MIPS，但 NDK r17 已不再支持。

armeabi-v7a

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

如需详细了解 ABI 中并非特定于 Android 的部分，请参阅 ARM 架构的应用二进制接口 (ABI)

默认情况下，NDK 构建系统会生成 Thumb-2 代码，除非您在 Android.mk 中针对 ndk-build 使用 LOCAL_ARM_MODE，或在配置 CMake 时使用 ANDROID_ARM_MODE。

如需详细了解 Neon 的历史，请参阅 Neon 支持。

由于历史原因，此 ABI 使用 -mfloat-abi=softfp，从而导致所有 float 要在整数寄存器中传递的值以及要传递的所有 double 值 整数寄存器对中的值。 只会影响浮点调用规范：编译器仍然会 使用硬件浮点指令进行算术。

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 ABI 中并非特定于 Android 的部分的完整详情，请参阅 Arm 的了解架构。Arm 还针对 64 位 Android 开发提供了一些移植方面的建议。

您可以在 C 和 C++ 代码中使用 Neon 内建函数来充分利用高级 SIMD 扩展指令集。针对 Armv8-A 的 Neon 程序员指南详细介绍了 Neon 内建函数和 Neon 编程的概况。

在 Android 中，特定于平台的 x18 寄存器专用于 ShadowCallStack，不应由您的代码使用。当前的 Clang 版本默认使用 Android 中的 -ffixed-x18 选项，因此除非您使用的是手写汇编程序（或非常旧的编译器），否则无需担心这一点。

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 包括基础指令集以及 MMX、SSE、SSE2 和 SSE3 和 SSSE3 扩展指令集。

ABI 不含任何其他可选 IA-32 扩展指令集，例如 MOVBE 或 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：

• 不同 C++ 编译器和操作系统的调用规范
• Intel IA-32 Intel 架构软件开发者手册第 2 卷：指令集参考
• Intel IA-32 Intel 架构软件开发者手册第 3 卷：系统编程指南
• System V 应用二进制接口：Intel386 处理器架构补充

此 ABI 使用 64 位 long double（与 double 相同的 IEEE binary64，而不是更为常见的仅限 Intel 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 包括基础指令集以及 MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、SSE4.1、SSE4.2 和 POPCNT 指令。

ABI 不含任何其他可选 x86-64 扩展指令集，例如 MOVBE、SHA 或 AVX 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。

请参阅以下文档了解更多详情：

• 不同 C++ 编译器和操作系统的调用规范
• Intel64 和 IA-32 架构软件开发者手册第 2 卷：指令集参考
• Intel64 和 IA-32 Intel 架构软件开发者手册第 3 卷：系统编程

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

为特定 ABI 生成代码

Gradle

默认情况下，Gradle（无论是通过 Android Studio 使用，还是从命令行使用）会针对所有非弃用 ABI 进行构建。要限制应用支持的 ABI 集，请使用 abiFilters。例如，要仅针对 64 位 ABI 进行构建，请在 build.gradle 中设置以下配置：

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

ndk-build

默认情况下，ndk-build 会针对所有非弃用 ABI 进行构建。您可以通过在 Application.mk 文件中设置 APP_ABI 来定位特定 ABI。以下代码段展示了使用 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.

如需详细了解您可以为 APP_ABI 指定的值，请参阅 Android.mk。

CMake

使用 CMake 时，您一次只能针对一个 ABI 进行构建，并且必须明确指定 ABI。为此，您需要使用 ANDROID_ABI 变量，而此变量必须在命令行中指定（无法在 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 ...

对于必须传递到 CMake 以使用 NDK 进行构建的其他标志，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 app bundle 和 APK 拆分减小 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。如需了解详情，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> 是支持的 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/ 在 /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 build 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 ABI：armeabi。相反，基于 ARMv7 的典型设备将主 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，则应用在 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-v7a 和 armeabi NDK 二进制文件。对于这些设备，主 ABI 将是 x86，辅助 ABI 是 armeabi-v7a。

您可以为特定 ABI 强制安装 apk。这在测试时非常有用。请使用以下命令：

adb install --abi abi-identifier path_to_apk

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原生库目录 (<nativeLibraryDir>/) 下的 /lib/lib<name>.so。以下代码段会收到 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，应用也会构建并安装，但在运行时会崩溃。

ARMv9：为 C/C++ 启用 PAC 和 BTI

重要提示：PAC 和 BTI 是用于内存调试和减少错误的众多工具中的两种。如需简要了解所有工具，请参阅调试和减少内存错误。

启用 PAC/BTI 可防范一些攻击途径。PAC 通过以下方式来保护返回地址：在函数 prolog 中以加密形式对这些地址进行签名，并检查返回地址是否仍在 epilog 中进行了正确签名。为了避免跳转到代码中的任意位置，BTI 要求每个分支目标都是一条特殊指令，除了告知处理器可以到达这个位置之外，该指令不会执行任何其他操作。

Android 使用 PAC/BTI 指令，这些指令在不支持新指令的旧版处理器上不会执行任何操作。只有 ARMv9 设备具有 PAC/BTI 保护功能，但您也可以在 ARMv8 设备上运行相同的代码：无需库的多个变体。即使在 ARMv9 设备上，PAC/BTI 也仅适用于 64 位代码。

启用 PAC/BTI 后，代码大小会略有增加，通常为 1%。

如需详细了解攻击途径 PAC/BTI 目标以及保护功能的运作方式，请参阅 Arm 的了解架构 - 为复杂软件提供保护 (PDF)。

build 变更

注意：在将代码视为攻击者的目标时，我们建议您也使用 CFI 进行构建。CFI 和 PAC/BTI 类似，但互补。

ndk-build

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

CMake

对 CMakeLists.txt 中的每个目标使用 target_compile_options($TARGET PRIVATE -mbranch-protection=standard)。

其他构建系统

使用 -mbranch-protection=standard 编译代码。仅当针对 arm64-v8a ABI 进行编译时，此标志才有效。建立关联时无需使用此标志。

问题排查

我们不了解编译器对 PAC/BTI 的支持是否存在任何问题，但：

• 请注意，不要在建立关联时混用 BTI 和非 BTI 代码，因为这会导致库未启用 BTI 保护。您可以使用 llvm-readelf 检查生成的库是否包含 BTI 备注。

$ 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 OpenSSL（1.1.1i 之前的版本）在手写汇编程序中存在一个 bug，会导致 PAC 失败。升级到当前的 OpenSSL。

• 某些应用 DRM 系统的旧版本会生成违反 PAC/BTI 要求的代码。如果您使用的是应用 DRM 并且在启用 PAC/BTI 时遇到问题，请与您的 DRM 供应商联系以获取修复的版本。