在现代操作系统与嵌入式生态中，ARM64（AArch64）架构已成为移动、IoT、服务器乃至桌面计算的主流。而支撑其上层软件（无论是 Linux 应用、Android APK，还是 OpenHarmony 的 FFI 模块）高效、稳定运行的隐形骨架，正是ARM64 ELF ABI（Application Binary Interface）规范。

ABI 不是 API——它不定义函数功能，而是规定二进制代码如何交互：参数如何传递？返回值放哪里？栈如何对齐？哪些寄存器可被破坏？这些看似底层的细节，直接决定了程序能否正确链接、跨模块调用是否安全、性能是否达到极致。

本文将带你深入 ARM64 ELF ABI 的核心机制，全面解析其寄存器使用约定、函数调用协议、栈帧布局、数据对齐规则、符号命名规范等关键内容，并结合 OpenHarmony FFI、Linux 动态库等实际场景，揭示 ABI 如何成为高性能原生开发的“底层密码”。

一、什么是 ABI？为何它比 API 更重要？

1.1 ABI vs API：本质区别

维度	API（Application Programming Interface）	ABI（Application Binary Interface）
定义层级	源代码级（函数名、参数类型、头文件）	二进制级（机器码、寄存器、内存布局）
变更影响	需重新编译调用方	需重新链接甚至重写调用方
稳定性	可版本化（v1/v2）	必须长期稳定（否则系统崩溃）

✅ 简单说：

• API 决定“怎么写代码”；
• ABI 决定“编译后的代码怎么跑”。

1.2 ARM64 ELF ABI 的官方来源

• 基础规范：《

  Procedure Call Standard for the Arm® 64-bit Architecture (AAPCS64)》

• ELF 扩展：《

  ELF for the Arm® 64-bit Architecture》

• Linux 实现：遵循上述规范，并由 glibc、LLVM、GCC 等工具链实现。

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二、ARM64 寄存器模型与角色分配

ARM64 拥有31 个 64 位通用寄存器（X0–X30）和SP（栈指针）。ABI 对其用途做了严格划分：

寄存器	别名	用途	是否可被 callee 破坏？
X0–X7	—	参数传递 / 返回值	✅ 是（caller-saved）
X8	—	间接结果位置（如大结构体返回）	✅
X9–X15	—	临时寄存器	✅
X16–X17	IP0/IP1	过程内部临时寄存器（如跳转地址）	✅
X18	—	平台寄存器（TLS、影子栈等）	⚠️ 平台相关
X19–X29	—	被调用者保存寄存器（callee-saved）	❌ 否（callee 必须恢复）
X30	LR	链接寄存器（存储返回地址）	❌
SP	—	栈指针	—

🔑 关键记忆点：

• 前 8 个参数通过 X0–X7 传递；
• 返回值通过 X0（或 X0+X1）返回；
• X19–X29 必须由被调用函数保存/恢复。

三、函数调用协议（The Core of AAPCS64）

3.1 参数传递规则

• 整数/指针类型：按顺序放入 X0, X1, ..., X7；
• 浮点类型（float/double）：放入 V0–V7（SIMD 寄存器）；
• 超过 8 个参数：多余参数压入栈（从右向左）；
• 大结构体（>16 字节）：传入指向该结构体的指针（由 caller 分配）。

示例：C 函数 void foo(int a, double b, char* c);

• a → X0
• b → V0（D0 子寄存器）
• c → X1

3.2 返回值规则

返回类型	传递方式
整数/指针（≤64位）	X0
64位 < size ≤ 128位	X0 + X1
浮点数	V0（S0/D0）
大结构体	Caller 传入隐藏指针（X8），函数写入该地址

3.3 栈对齐要求

• SP 必须始终保持 16 字节对齐（即 SP % 16 == 0）；
• 函数入口处，SP 已对齐；
• 局部变量分配后，仍需保持对齐。

💡 为什么？ SIMD 指令（如 NEON）要求 16 字节对齐，否则触发异常。

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四、栈帧（Stack Frame）布局

典型函数栈帧结构如下：

高地址+------------------+| Caller's frame   |+------------------+ <- SP (调用前)| 返回地址 (LR)    | ← 被 push 到栈（若需保存）+------------------+| X19–X29 保存区   | ← callee-saved registers+------------------+| 局部变量         |+------------------+ <- SP (函数内)| 临时空间（如 >8 参数）|+------------------+低地址

• Leaf Function（无调用其他函数）：可不保存 LR；
• 非 Leaf Function：必须将 LR 压栈，并在返回前 ret 前恢复。

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五、数据对齐与结构体内存布局

5.1 基本类型对齐

类型	对齐要求
char	1 字节
short	2 字节
int / float	4 字节
long / double / 指针	8 字节

5.2 结构体对齐规则

结构体总大小必须是最大成员对齐值的整数倍，成员按声明顺序排列，必要时插入填充字节。

struct Example {    char a;     // offset 0    // 7 bytes padding    double b;   // offset 8    int c;      // offset 16    // 4 bytes padding (使总大小=24，为8的倍数)};// sizeof(struct Example) = 24

⚠️ FFI 开发者注意：ArkTS 中构造的 ArrayBuffer 必须与 C 结构体内存布局完全一致，否则数据错乱。

六、ELF 符号与重定位

6.1 符号命名

• C 函数：符号名 = 函数名（如 foo → _foo 在某些平台，但 ARM64 Linux/鸿蒙无下划线）；
• C++ 函数：经 name mangling（如 _Z3fooi），故 FFI 必须用 extern "C"。

6.2 重定位类型（Relocation Types）

动态链接时，链接器根据重定位表修正地址。常见类型：

重定位类型	用途
R_AARCH64_ABS64	64 位绝对地址
R_AARCH64_CALL26	bl 指令跳转（26 位偏移）
R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21	用于 adrp 加载页地址

🔍 使用 readelf -r libxxx.so 可查看重定位表。

七、实战：ABI 如何影响 OpenHarmony FFI？

假设你在 ArkTS 中调用 C 函数：

// ArkTSconst lib = ffi.dlopen("libtest.so", {  process: { paramTypes: [ffi.Type.I32, ffi.Type.F64], returnType: ffi.Type.VOID }});lib.process(100, 3.14);

C 端必须严格遵循 ABI：

// C++extern "C" void process(int32_t a, double b) {    // a 在 X0，b 在 V0（D0）    // 若错误地将 b 声明为 float，将读取 V0.S0（低32位），得到错误值！}

若 ABI 不匹配：

• 参数错位 → 程序崩溃或静默错误；
• 栈未对齐 → 触发 SIGBUS；
• 寄存器未保存 → 上层逻辑数据损坏。

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八、调试与验证工具

工具	用途
objdump -d lib.so	查看反汇编，确认寄存器使用
readelf -s lib.so	检查符号表
gdb / lldb	单步调试，观察寄存器状态
check-abi（自研脚本）	验证结构体内存布局

九、结语：ABI —— 二进制世界的“宪法”

ARM64 ELF ABI 不是一份技术文档，而是一套跨编译器、跨操作系统、跨硬件平台的契约。它确保了：

• GCC 编译的库能被 Clang 调用；

• Android NDK 代码能在 OpenHarmony 上运行；

• 你写的 FFI 模块在 Mate 60 和 Raspberry Pi 5 上行为一致。

掌握 ABI，就是掌握二进制互操作的终极话语权。

对于鸿蒙开发者、系统工程师、安全研究员而言，深入理解 AAPCS64 不仅是优化性能的关键，更是避免“玄学 bug”的根本保障。当你下次看到 Segmentation fault 或 Illegal instruction，不妨从 ABI 的角度，重新审视你的代码。

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