【软件开发底层知识修炼】二十一 ABI-应用程序二进制接口一

• 前面学习了可执行程序的结构，点击链接查看上一篇文章：【软件开发底层知识修炼】二十 深入理解可执行程序的结构
• 本篇文章开始新的篇章，学习应用程序的二进制接口-ABI。

文章目录

• 1 什么是ABI（Application Binary Interface）
• • 1 ABI的广义与狭义概念
• 2 什么是EABI（Embedded Application Binary Interface）
• 3 ABI规范示例
• 4 ABI的其他方面
• • 4.1 ABI定义的基础数据类型
  • 4.2 ABI与移植性
  • 4.3 ABI规定的结构体与联合体的字节对齐方式
• 5 不同的ABI规范下的内存对齐方式代码分析
• • 5.1 代码
  • 5.2 Linux平台下运行结果
  • 5.3 Windows平台下运行结果
• 6 总结

1 什么是ABI（Application Binary Interface）

ABI，就是应用程序二进制接口。乍一听，可能不知道是啥。后面会慢慢深入理解。

那么ABI大概包括哪些内容呢？

• 数据类型的大小，数据的对其方式
• 函数调用时发生的调用约定。比如参数的入栈顺序啊等
• 系统调用的编号，以及系统调用的方式。不同的系统可能系统函数的中断号不同等
• 目标文件的二进制格式，程序库的格式等。比如Linux下的ELF格式的文件与Windows下的可执行文件就有区别。

以上说的那些区别，说的窄一些就是不同的系统平台，虽然写的C语言可能一样，但是最终编译成的二进制可执行文件肯定是在格式上有一定的区别。当然在内存对齐啊，函数参数入栈顺序，系统调用上等等等都有可能存在区别。

我们可以看到，这些区别都比较接近底层，不像API，API是源代码层面不一样。比如不同的操作系统的API可能就有一定的区别。但是也很有可能不同的操作系统的API一样，但是ABI就不一样。总结来说API与ABI具有以下特征：

• ABI和API是不同层面的规范

• ABI是二进制层面的规范
• API是源码层面的规范

• ABI和API没有直接的联系

• 遵循相同的ABI的系统，API可能不一样
• 所提供的API相同的系统，遵循的ABI可能相同

我们要注意一点：ABI与API没有必然的关系

1 ABI的广义与狭义概念

• 广义上ABI 的概念

泛指应用程序在二进制层面应该遵循的规范

• 狭义上ABI的概念

特指

• 某个具体硬件平台的ABI规范文档
• 某个具体操作系统平台的ABI规范文档
• 某个具体虚拟机平台的ABI规范文档

2 什么是EABI（Embedded Application Binary Interface）

EABI就是：嵌入式应用程序二进制接口

EABI与ABI基本相同。我们只需要注意一点不同：EABI的应用程序中可以直接使用特权指令。至于什么是特权指令。可以转移到我的另一个博客专栏系列：《手写操作系统》专栏中查询。

3 ABI规范示例

上面说了那么多概念，可能也没能让小白明白什么是ABI规范。下面给一个例子来说明。

我们之前学过C/C++内嵌汇编，如果不懂还是需要去看前面的文章。

为什么下面的代码能够以0作为退出码结束程序的运行？

为什么呢？为什么上述代码就是代表sys_exit的系统调用呢？这其实就是一种规定。你如果是规定人员你也刻意规定2是sys_exit的系统调用编号。

但是别人就规定编号1是sys_exit的系统调用编号。并且规定在发生这个系统调用时eax存的是系统调用编号，而ebx存的是退出码，这里我们的退出码是0. 那么我们写这种内嵌汇编就要按照别人的ABI规范来。这是没办反的，除非你有能力去修改这种规范。

那么上面就是一种ABI规范。这个例子如果还是不能让你理解，也没关系，下面还有代码的例子

4 ABI的其他方面

4.1 ABI定义的基础数据类型

ABI定义了基础数据类型的大小。

我们都知道在我们电脑上写的程序int是4字节。因为我们在Intel的X86平台。如果你足够牛逼你也可以自己造硬件自己规定ABI规范，你可以将int定义为100字节都没人管你。

当然这是很难的。我们还是先来看看X86平台下，ABI规范定义的基础数据类型的大小吧。如下图：

上面那些，我想大家都背过。现在知道怎么来了的吧。

4.2 ABI与移植性

首先先看下面的一张架构图：

• 上面的图很容易看懂。

• ABI规范的基础数据类型及大小：在硬件CPU上面，肯定是ABI规范的基础数据类型大小。随着CPU硬件架构的不同，基础数据类型可能也不同。

• 类型适配层： 但是我们还要写程序，为了方便写程序，在ABI规范的上面肯定要有一个适配层。这个适配层是将ABI规范层重新定义成我们方便写代码的样子。并且平台改变时只需要重新定义类型适配层。typedef就是属于类型适配层。类型及大小不随平台而改变。

• 应用程序框架层与应用程序逻辑层：我们写代码最接近的就是这两层了，尤其是逻辑层，你写代码写的大多是逻辑层。牛逼点的可能去写框架。

• 上面的类型适配层可能没有讲明白。其实就是针对ABI规范的基础数据类型，自己给重新定义一下。比如基础数据类型int是4字节，我们可以使用typedef int INT，这样我们以后写代码可以就完全使用INT代表4字节的整形。
  但是如果换了一个平台，假如这个平台没有int基础数据类型，假设它有一个叫做newint
  的基础数据类型是4字节整形（当然这是我们假设的，实际上没有）。此时我们只需要将typedef int INT修改为typedef newint INT。而我们的应用程序框架和应用程序代码，就完全不用修改。这大大地提高了我们的应用程序的移植性。

说到这里，应该明白了为什么本节的小标题叫做ABI与移植性了吧。如果不懂，再看两遍。

4.3 ABI规定的结构体与联合体的字节对齐方式

我们面试经常被问到结构体的对齐方式。这实际上也是ABI规范的。至于为什么那么规定，就要涉及到硬件与底层内存了。一般就是为了提高CPU的执行效率，也没什么神秘的。

下面我们就来看看几个简单结构体的内存对齐方式：

• 注意以上四个结构体的对齐方式，实际上就是因为ABI的规范，当然，就算没有ABI规范，我们应该也能够知道它的内存布局是上线那样。毕竟那是最基本的知识。

• 有一点需要注意的是上面的内存图中从上往下是低地址到高地址。每一行是4字节大小。
• 上面的联合体，实际上只有一行，不是3行12字节。它是相当于1行一共4字节。这4字节供c，s，i公用。

5 不同的ABI规范下的内存对齐方式代码分析

本节内容以代码实际案例来分析，在Linux下与WIindows下的不同ABI对应的不同内存对齐方式。

主要是以结构体的内存对齐方式来说。

在看具体代码之前，首先要知道一个知识点：

• 位域

所占用的内存是以比特来记的。

5.1 代码

• bit_field.c

#include <stdio.h>struct {short s : 9;int j : 9;char c;short t : 9;short u : 9;char d;
} s;int main(int argc, char* argv[])
{int i = 0;int* p = (int*)&s;printf("sizeof = %d\n", sizeof(s));s.s = 0x1FF;s.j = 0x1FF;s.c = 0xFF;s.t = 0x1FF;s.u = 0x1FF;s.d = 0xFF;for(i=0; i<sizeof(s)/sizeof(*p); i++){printf("%X\n", *p++);}return 0;
}

上述代码很容易读懂。我们主要想研究该代码在Linux平台下与Windows平台下的内存对齐方式的不同。

5.2 Linux平台下运行结果

首先在Linux下编译运行程序，得到结果如下：

• gcc bit_field.c -o test
• ./test

运行结果为：

sizeof = 12
FF03FFFF
1FF01FF
FF

这个运行结果看起来也不是很容易看明白内存到底是怎么分布的，将其转换成内存图就可以明白了：

• 结构体为：
  

• Linux下的内存图为：
  

• 由上图可知s，j各占9个比特，并且它们是挨着的。

• 由于默认是4字节对齐，并且第一个4字节后面还有14个比特，所以还能存放c变量。但是如果把4字节划分成4个单独的字节这样看，那么无疑最后的24bit-31bit是一字节。所以c放在最后的24bit-31bit，更加符合对齐的意思。虽然是默认4字节对齐，但是在这4字节中，也同样要按字节对齐。这样能够提高CPU的执行效率。FF03FFFF

• t和u是如上图存放的。这符合程序的运行结果： 1FF01FF 至于为什么变量u不放到9bit-17bit，这个就是具体的ABI规范文档规定的。到底原理是什么就涉及的有点远了。这里不在多讲，以后有机会会详细讲解。

• d占用最后的4字节。

• 一共占用12字节，这与程序的运行结果是一样的。

• 但是注意这是Linux平台下的内存模型。

我们注意到上图中有一个压缩存储，实际上Linux平台下，内存模型都是压缩存储。

5.3 Windows平台下运行结果

在Windows下的vs下运行该程序，结果如下：

  sizeof = 161FF1FF1FF00FFFF01FF

这个运行结果看起来也不是很容易看明白内存到底是怎么分布的，将其转换成内存图就可以明白了：

• 结构体为：
  

• Windows下的内存图为：

• 在默认4字节的情况下，Windows下，s占用4字节，其实s只占了9个比特，但是由于字节对齐，后面的23比特都是空的。1FF
• j ， c， t， u， d也很容易看出来。但是与上一小节的Linux下的有所不同。
• 上图中有一个非压缩存储。在Windows下就是非压缩存储。各个变量离的有一定的距离。

• 很明显，在不同的平台，内存对齐方式都是不一样的。这就是ABI规范的不同带来的不同。

6 总结

• 广义上的ABI指应用程序在二进制层面需要遵守的约定
• 狭义上的ABI指一个具体硬件或者操作系统的规范文档
• ABI定义了基础数据类型的大小
• ABI定义了结构体/联合体的内存对齐方式

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