应用二进制接口(ABI)

ABI -应用二进制接口是关于运行时两个二进制部分之间的机器码通信，如应用程序，库，操作系统…ABI描述了如何将对象保存在内存中，如何调用函数(调用约定)，如何修改…

API和ABI的一个很好的例子是iOS生态系统从v5开始使用Swift语言。

Application layer - When you create an application using different languages. For example you can create application using Swift and Objective-C[Mixing Swift and Objective-C] Application - OS layer - runtime - Swift Standard Library and Swift Run Time Library[About] are parts of OS and they should not be included into each bundle(e.g. app, framework). It is the same as like Objective-C uses. Available from iOS v12.2 Library layer - Module Stability case - compile time - you will be able to import a framework which was built with another version of Swift's compiler. It means that it is safety to create a closed-source(pre-build) binary which will be consumed by a different version of compiler( .swiftinterface is used with .swiftmodule[About]) and you will not get Module compiled with _ cannot be imported by the _ compiler //or Compiled module was created by a newer version of the compiler Library layer - Library Evolution case Compile time - if a dependency was changed, a client has not to be recompiled. Runtime - a system library or a dynamic framework can be hot-swapped by a new one.

[API vs ABI] [Swift模块稳定性和库稳定性]

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。

功能:一组影响编译器、程序集编写者、链接器和操作系统的契约。契约规定了函数如何布局，参数在哪里传递，参数如何传递，函数返回如何工作。这些元组通常特定于(处理器体系结构，操作系统)元组。

现有实体:参数布局、函数语义、寄存器分配。例如，ARM架构有许多ABI (APCS, EABI, GNU-EABI，更不用说一堆历史案例)-使用混合ABI会导致你的代码在跨边界调用时无法工作。

使用者:编译器、程序集编写器、操作系统、CPU特定架构。

谁需要这些细节?编译器，程序集编写者，代码生成(或对齐要求)的链接器，操作系统(中断处理，系统调用接口)。如果您进行汇编编程，那么您将遵循ABI!

c++的名称破坏是一个特殊的情况——它是一个以连接器和动态连接器为中心的问题——如果名称破坏没有标准化，那么动态链接将无法工作。从今以后，c++ ABI就这么叫了，c++ ABI。这不是链接器级别的问题，而是代码生成的问题。一旦你有了一个c++二进制文件，如果不从源代码重新编译，就不可能使它与另一个c++ ABI兼容(名称混乱，异常处理)。

ELF是一种用于加载器和动态链接器的文件格式。ELF是二进制代码和数据的容器格式，它指定了一段代码的ABI。我不认为ELF是严格意义上的ABI，因为PE可执行文件不是ABI。

所有的abi都是特定于指令集的。ARM ABI在MSP430或x86_64处理器上没有意义。

Windows有几个abi -例如，fastcall和stdcall是两个常用的abi。系统调用ABI又不同了。

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。

区分ABI和API的最好方法是了解它的用途和原因:

对于x86-64，通常有一个ABI(对于x86 32位，有另一组ABI):

http://www.x86-64.org/documentation/abi.pdf

https://developer.apple.com/library/mac/documentation/DeveloperTools/Conceptual/LowLevelABI/140-x86-64_Function_Calling_Conventions/x86_64.html

http://people.freebsd.org/~obrien/amd64-elf-abi.pdf

Linux + FreeBSD + MacOSX紧随其后，略有变化。Windows x64有自己的ABI:

http://eli.thegreenplace.net/2011/09/06/stack-frame-layout-on-x86-64/

Knowing the ABI and assuming other compiler follows it as well, then the binaries theoretically know how to call each other (libraries API in particular) and pass parameters over the stack or by registers etc. Or what registers will be changed upon calling the functions etc. Essentially these knowledge will help software to integrate with one another. Knowing the order of the registers / stack layout I can easily piece together different software written in assemblies together without much problem.

但是API是不同的:

它是一个定义了参数的高级函数名，这样如果不同的软件使用这些API构建，就可以相互调用。但是必须遵守SAME ABI的附加要求。

例如，Windows曾经是POSIX API兼容的:

https://en.wikipedia.org/wiki/Windows_Services_for_UNIX

https://en.wikipedia.org/wiki/POSIX

Linux也是POSIX兼容的。但是二进制文件不能被移动并立即运行。但是因为它们在POSIX兼容的API中使用了相同的NAMES，所以您可以在C语言中使用相同的软件，在不同的操作系统中重新编译它，并立即让它运行起来。

API是为了简化软件集成-预编译阶段。所以在编译之后，如果ABI不同的话，软件看起来会完全不同。

ABI的目的是在二进制/汇编级别定义软件的精确集成。

我也试图理解ABI, JesperE的回答很有帮助。

从一个非常简单的角度来看，我们可以尝试通过考虑二进制兼容性来理解ABI。

KDE wiki将库定义为二进制兼容的，“如果动态链接到库的前版本的程序继续与库的新版本一起运行，而不需要重新编译”。有关动态链接的更多信息，请参阅静态链接与动态链接

现在，让我们试着看看一个库需要二进制兼容性的最基本方面(假设库没有源代码更改):

相同/向后兼容的指令集架构(处理器指令、寄存器文件结构、堆栈组织、内存访问类型，以及处理器可以直接访问的基本数据类型的大小、布局和对齐) 相同调用约定 同名混淆约定(如果Fortran程序需要调用一些c++库函数，这可能是需要的)。

当然，还有许多其他细节，但这主要是ABI所涵盖的内容。

更具体地回答你的问题，由以上，我们可以推断:

ABI功能:二进制兼容性 现有实体:现有程序/库/操作系统 消费者:库，操作系统

希望这能有所帮助!