应用程序二进制接口(ABI)

功能:

从程序员的模型到底层系统的域数据的转换 类型，大小，对齐，调用约定，它控制如何 函数的参数被传递并返回检索到的值;的 系统调用编号以及应用程序应该如何进行系统调用 到操作系统;高级语言编译器的名称 破坏方案、异常传播和调用约定 在同一平台上的编译器之间，但不需要 跨平台兼容性……

现有的实体:

直接参与程序执行的逻辑块:ALU， 通用寄存器，用于内存/ I/O映射的寄存器，等等…

消费者:

语言处理器，链接器，汇编器…

任何必须确保构建工具链作为一个整体工作的人都需要这些。如果你用汇编语言写一个模块，用Python写另一个模块，而不是你自己的引导加载程序想要使用操作系统，那么你的“应用程序”模块是跨“二进制”边界工作的，需要这种“接口”的协议。

c++命名混乱，因为应用程序中可能需要链接来自不同高级语言的目标文件。考虑使用GCC标准库对Visual c++构建的Windows进行系统调用。

ELF是用于解释的来自对象文件的链接器的一种可能期望，尽管JVM可能有其他想法。

对于一个Windows RT商店应用程序，如果你真的想让一些构建工具链一起工作，尝试搜索ARM ABI。

总结

对于定义ABI(应用程序二进制接口)的确切层有各种各样的解释和强烈的意见。

在我看来，ABI是对特定API的给定/平台的主观约定。ABI是对于特定API“不会改变”的约定的“剩余”部分，或者由运行时环境解决:执行器、工具、链接器、编译器、jvm和OS。

定义接口:ABI, API

如果你想使用像joda-time这样的库，你必须声明一个依赖joda-time-<major>.<minor>.<patch>.jar。标准库遵循最佳实践并使用语义版本控制。这在三个层次上定义了API的兼容性:

补丁——你根本不需要修改你的代码。这个库只是修复了一些错误。 次要-你不需要改变你的代码，因为添加的东西(开闭原则是尊重的) 重要—接口(API)已更改，您可能需要更改代码。

为了让你使用同一个库的一个新的主要版本，还有很多其他的约定需要遵守:

库使用的二进制语言(在Java情况下是定义Java字节码的JVM目标版本) 调用约定 JVM规范 链接约定 运行时约定 所有这些都是由我们使用的工具定义和管理的。

例子

Java案例研究

例如，Java标准化了所有这些约定，不是在一个工具中，而是在一个正式的JVM规范中。该规范允许其他供应商提供一组不同的工具来输出兼容的库。

Java为ABI提供了另外两个有趣的案例研究:Scala版本和Dalvik虚拟机。

Dalvik虚拟机破坏了ABI

The Dalvik VM needs a different type of bytecode than the Java bytecode. The Dalvik libraries are obtained by converting the Java bytecode (with same API) for Dalvik. In this way you can get two versions of the same API: defined by the original joda-time-1.7.2.jar. We could call it joda-time-1.7.2.jar and joda-time-1.7.2-dalvik.jar. They use a different ABI one is for the stack-oriented standard Java vms: Oracle's one, IBM's one, open Java or any other; and the second ABI is the one around Dalvik.

Scala后续版本不兼容

Scala在次要的Scala版本之间不具有二进制兼容性:2。X。由于这个原因，相同的API“io。reactivex" %% "rxscala" % "0.26.5"有三个版本(将来会有更多):针对Scala 2.10、2.11和2.12。改变了什么?我现在不知道，但是二进制文件是不兼容的。可能最新的版本增加了一些东西，使得库在旧的虚拟机上无法使用，可能是与链接/命名/参数约定有关的东西。

Java连续版本是不兼容的

Java在JVM的主要版本上也有问题:4,5,6,7,8,9。它们只提供向后兼容性。Jvm9知道如何运行针对所有其他版本的编译/目标代码(javac的-target选项)，而JVM 4不知道如何运行针对JVM 5的代码。而你只有一个joda-library。由于有不同的解决方案，这种不兼容性变得显而易见:

语义版本控制:当库的目标是更高的JVM时，它们通常会改变主版本。 使用JVM 4作为ABI，您就安全了。 Java 9增加了一个关于如何在同一个库中包含特定目标JVM的字节码的规范。

为什么我要从API定义开始呢?

API and ABI are just conventions on how you define compatibility. The lower layers are generic in respect of a plethora of high level semantics. That's why it's easy to make some conventions. The first kind of conventions are about memory alignment, byte encoding, calling conventions, big and little endian encodings, etc. On top of them you get the executable conventions like others described, linking conventions, intermediate byte code like the one used by Java or LLVM IR used by GCC. Third you get conventions on how to find libraries, how to load them (see Java classloaders). As you go higher and higher in concepts you have new conventions that you consider as a given. That's why they didn't made it to the semantic versioning. They are implicit or collapsed in the major version. We could amend semantic versioning with <major>-<minor>-<patch>-<platform/ABI>. This is what is actually happening already: platform is already a rpm, dll, jar (JVM bytecode), war(jvm+web server), apk, 2.11 (specific Scala version) and so on. When you say APK you already talk about a specific ABI part of your API.

API可以移植到不同的ABI

抽象的顶层(针对最高API编写的源代码可以被重新编译/移植到任何其他较低层次的抽象。

假设我有一些rxscala的源代码。如果Scala工具改变了，我可以重新编译它们。如果JVM发生了变化，我就可以从旧机器自动转换到新机器，而不需要考虑高级概念。虽然移植可能很困难，但对任何其他客户端都有帮助。如果使用完全不同的汇编代码创建一个新的操作系统，则可以创建一个转换器。

跨语言移植的api

有些api可以移植到多种语言中，比如反应流。一般来说，它们定义到特定语言/平台的映射。我认为API是用人类语言甚至是特定的编程语言正式定义的主规范。在某种意义上，所有其他的“映射”都是ABI，比通常的ABI更多的API。REST接口也是如此。

为了调用共享库中的代码，或者在编译单元之间调用代码，object文件需要包含调用的标签。c++修改了方法标签的名称，以加强数据隐藏并允许重载方法。这就是为什么您不能混合来自不同c++编译器的文件，除非它们显式地支持相同的ABI。

如果您了解汇编以及操作系统级别的工作方式，那么您就符合特定的ABI。ABI控制参数的传递方式、返回值放置的位置等。对于许多平台来说，只有一种ABI可供选择，在这些情况下，ABI只是“事情如何工作”。

然而，ABI也控制着c++中类/对象的布局。如果您希望能够跨模块边界传递对象引用，或者如果您希望混合使用不同编译器编译的代码，这是必要的。

此外，如果您有一个可以执行32位二进制文件的64位操作系统，那么32位和64位代码将有不同的abi。

通常，链接到相同可执行文件中的任何代码都必须符合相同的ABI。如果希望在使用不同abi的代码之间进行通信，则必须使用某种形式的RPC或序列化协议。

我认为你过于努力地将不同类型的界面挤进一个固定的特征集。例如，一个界面不一定要分成消费者和生产者。接口只是两个实体交互的约定。

abi可以(部分地)与isa无关。有些方面(如调用约定)依赖于ISA，而其他方面(如c++类布局)则不依赖于ISA。

定义良好的ABI对于编写编译器的人来说非常重要。如果没有定义良好的ABI，就不可能生成可互操作的代码。

编辑:需要澄清的一些注释:

ABI中的“二进制”并不排除字符串或文本的使用。如果您想要链接一个导出c++类的DLL，则必须对其中的方法和类型签名进行编码。这就是c++名称破坏的用武之地。 您从未提供ABI的原因是绝大多数程序员都不会这样做。ABI是由设计平台(即操作系统)的人提供的，很少有程序员有特权设计一个广泛使用的ABI。

术语ABI用于指代两个不同但相关的概念。

当谈到编译器时，它指的是用于从源级结构转换到二进制结构的规则。数据类型有多大?堆栈是如何工作的?如何将参数传递给函数?调用者和被调用者应该保存哪些寄存器?

当谈到库时，它指的是由编译库提供的二进制接口。这个接口是多种因素的结果，包括库的源代码、编译器使用的规则，以及在某些情况下从其他库中获得的定义。

对库的更改可以在不破坏API的情况下破坏ABI。例如，考虑具有如下接口的库。

void initfoo(FOO * foo)
int usefoo(FOO * foo, int bar)
void cleanupfoo(FOO * foo)

应用程序程序员编写的代码是

int dostuffwithfoo(int bar) {
  FOO foo;
  initfoo(&foo);
  int result = usefoo(&foo,bar)
  cleanupfoo(&foo);
  return result;
}

应用程序程序员并不关心FOO的大小或布局，但应用程序二进制文件最终会硬编码FOO的大小。如果标准库程序员在foo中添加了一个额外的字段，并且有人将新的标准库二进制文件与旧的应用程序二进制文件一起使用，那么标准库可能会进行越界内存访问。

OTOH，如果标准库的作者像这样设计他们的API。

FOO * newfoo(void)
int usefoo(FOO * foo, int bar)
void deletefoo((FOO * foo, int bar))

应用程序程序员编写的代码是

int dostuffwithfoo(int bar) {
  FOO * foo;
  foo = newfoo();
  int result = usefoo(foo,bar)
  deletefoo(foo);
  return result;
}

然后，应用程序二进制文件不需要知道任何关于FOO的结构，这些都可以隐藏在库中。你为此付出的代价是涉及到堆操作。

Linux共享库最小可运行ABI示例

在共享库的上下文中，“拥有稳定的ABI”最重要的含义是，在库更改后不需要重新编译程序。

例如:

如果您正在销售一个共享库，您可以为用户省去为每个新版本重新编译依赖于您的库的所有内容的麻烦 如果您正在销售依赖于用户发行版中的共享库的闭源程序，如果您确定ABI在目标操作系统的某些版本上是稳定的，那么您可以发布和测试更少的预构建。 这在C标准库的情况下尤其重要，您的系统中有许多程序都链接到C标准库。

现在我想提供一个最小的具体可运行的示例。

c

#include <assert.h>
#include <stdlib.h>

#include "mylib.h"

int main(void) {
    mylib_mystruct *myobject = mylib_init(1);
    assert(myobject->old_field == 1);
    free(myobject);
    return EXIT_SUCCESS;
}

mylib.c

#include <stdlib.h>

#include "mylib.h"

mylib_mystruct* mylib_init(int old_field) {
    mylib_mystruct *myobject;
    myobject = malloc(sizeof(mylib_mystruct));
    myobject->old_field = old_field;
    return myobject;
}

mylib.h

#ifndef MYLIB_H
#define MYLIB_H

typedef struct {
    int old_field;
} mylib_mystruct;

mylib_mystruct* mylib_init(int old_field);

#endif

编译和运行良好:

cc='gcc -pedantic-errors -std=c89 -Wall -Wextra'
$cc -fPIC -c -o mylib.o mylib.c
$cc -L . -shared -o libmylib.so mylib.o
$cc -L . -o main.out main.c -lmylib
LD_LIBRARY_PATH=. ./main.out

现在，假设对于标准库的v2，我们希望向mylib_mystruct添加一个名为new_field的新字段。

如果我们在old_field之前添加字段，如下所示:

typedef struct {
    int new_field;
    int old_field;
} mylib_mystruct;

重建了图书馆，但不是主要的。Out，则断言失败!

这是因为这一行:

myobject->old_field == 1

已生成程序集，该程序集试图访问结构体的第一个int，该结构体现在是new_field，而不是预期的old_field。

因此，这个更改破坏了ABI。

但是，如果我们在old_field之后添加new_field:

typedef struct {
    int old_field;
    int new_field;
} mylib_mystruct;

那么旧生成的程序集仍然访问结构的第一个int，程序仍然可以工作，因为我们保持了ABI的稳定。

下面是这个例子在GitHub上的一个全自动版本。

保持此ABI稳定的另一种方法是将mylib_mystruct视为不透明结构，仅通过方法帮助程序访问其字段。这样可以更容易地保持ABI的稳定，但是由于我们要进行更多的函数调用，因此会产生性能开销。

API 与 ABI

在前面的例子中，有趣的是，在old_field之前添加new_field只破坏了ABI，而没有破坏API。

这意味着，如果我们根据标准库重新编译main.c程序，无论如何它都会工作。

然而，如果我们改变了例如函数签名，我们也会破坏API:

mylib_mystruct* mylib_init(int old_field, int new_field);

因为在这种情况下，main.c将完全停止编译。

语义API vs编程API

我们还可以将API更改分为第三种类型:语义更改。

语义API通常是API应该做什么的自然语言描述，通常包含在API文档中。

因此，可以在不破坏程序构建本身的情况下破坏语义API。

例如，如果我们修改了

myobject->old_field = old_field;

to:

myobject->old_field = old_field + 1;

那么这既不会破坏编程API，也不会破坏ABI，但是main.c语义API会破坏。

有两种方法可以通过编程方式检查合约API:

测试一些极端情况。这很简单，但你可能总是错过一个。 正式的验证。更难做到，但产生了正确性的数学证明，本质上是将文档和测试统一为“人”/机器可验证的方式!当然，前提是你的正式描述中没有bug;-) 这个概念与数学本身的形式化密切相关:https://math.stackexchange.com/questions/53969/what-does-formal-mean/3297537#3297537

打破C / c++共享库abi的所有东西的列表

待办事项:查找/创建最终列表:

https://github.com/lvc/abi-compliance-checker自动化工具进行检查 https://community.kde.org/Policies/Binary_Compatibility_Issues_With_C%2B%2B KDE c++ ABI指南 https://plan99.net/~mike/writing-shared-libraries.html

Java最小可运行示例

Java中的二进制兼容性是什么?

在Ubuntu 18.10, GCC 8.2.0中测试。