Dispositivos de vários núcleos e o Xamarin.Android

O Android pode executar em diversas arquiteturas de computador diferentes. Este documento aborda as arquiteturas de CPU diferentes que podem ser utilizadas em um aplicativo Xamarin.Android. Este documento também explica como aplicativos Android são empacotados para dar suporte a diferentes arquiteturas de CPU. A ABI (interface binária de aplicativo) é apresentada e são fornecidas diretrizes sobre quais ABIs para usar em um aplicativo Xamarin.Android.

Visão geral

O Android permite a criação de binários multiarquitetura, um único arquivo .apk que contém o código de computador que é compatível com várias arquiteturas de CPU diferentes. Isso é feito associando-se cada trecho de código de computador com uma interface binária de aplicativo. A ABI será usada para controlar qual código de computador será executado em um dispositivo de hardware específico. Por exemplo, para um aplicativo do Android ser executado em um dispositivo x86, é necessário incluir suporte a ABI x86 ao compilar o aplicativo.

Especificamente, cada aplicativo do Android dará suporte a pelo menos uma EABI (interface binária de aplicativo incorporado). EABIs são convenções específicas para programas de software inseridos. Um EABI típico descreverá coisas como:

• O conjunto de instruções de CPU.

• A ordenação de bits de armazenamentos e carregamentos de memória em tempo de execução.

• O formato binário dos arquivos-objeto e bibliotecas do programa, bem como o tipo de conteúdo permitido ou compatível com esses arquivos e bibliotecas.

• As diversas convenções usadas para passar dados entre o código do aplicativo e o sistema (por exemplo: como os registros e/ou a pilha são usados quando as funções são chamadas, as restrições de alinhamento, etc.)

• Restrições de tamanho e de alinhamento para tipos enumerados, estruturas, campos e matrizes.

• A lista de símbolos de função disponíveis para seu código de computador em tempo de execução, geralmente de um conjunto de bibliotecas selecionado muito específico.

armeabi e acesso thread-safe

A interface binária de aplicativo será discutida em detalhes abaixo, mas é importante lembrar que o runtime armeabi usado pelo Xamarin.Android não é thread-safe. Se um aplicativo compatível com armeabi é implantado em um dispositivo armeabi-v7a, muitas exceções estranhas e inexplicáveis ocorrerão.

Devido a um bug no Android 4.0.0 4.0.1, 4.0.2 e 4.0.3, as bibliotecas nativas serão retiradas do diretório armeabi mesmo que haja um diretório armeabi-v7a presente e que se trate de um dispositivo armeabi-v7a.

Descrições de ABIs

Cada ABI compatível com o Android é identificada por um nome exclusivo.

armeabi

Esse é o nome de uma EABI para CPUs baseadas em ARM, compatível com pelo menos o conjunto de instruções ARMv5TE. O Android segue a ABI little endian ARM GNU/Linux. Esta ABI não é compatível com cálculos de ponto flutuante assistidos por hardware. Todas as operações de FP são executadas por funções auxiliares de software que são provenientes da biblioteca estática libgcc.a do compilador. Os dispositivos SMP não são compatíveis com o armeabi.

armeabi-v7a

Este é outro conjunto de instruções de CPU baseada em ARM que estende o EABI armeabi descrito acima. O EABI armeabi-v7a é compatível com operações de ponto flutuante de hardware e com dispositivos com várias CPUs (SMP). Um aplicativo que usa a EABI armeabi-v7a pode esperar melhorias substanciais de desempenho em relação a um aplicativo que usa armeabi.

arm64-v8a

Este é um conjunto de instruções de 64 bits com base na arquitetura de CPU ARMv8. Essa arquitetura é usada no Nexus 9. O Xamarin.Android 5.1 apresentou a compatibilidade com essa arquitetura (para obter mais informações, confira suporte de runtime de 64 bits).

x86

Este é o nome de uma ABI para CPUs compatíveis com o conjunto de instruções normalmente nomeado x86 ou IA-32. Este ABI corresponde às instruções para o conjunto de instruções Pentium Pro, incluindo os conjuntos de instruções MMX, SSE, SSE2 e SSE3. Ele não inclui nenhuma outra extensão de conjunto de instruções IA-32 opcional, por exemplo:

• a instrução MOVBE.
• extensão SSE3 complementar (SSSE3).
• qualquer variante de SSE4.

x86_64

Este é o nome de uma ABI para CPUs compatíveis com o conjunto de instruções x86 de 64 bits (também conhecido como x64 ou AMD64). O Xamarin.Android 5.1 apresentou a compatibilidade com essa arquitetura (para obter mais informações, confira suporte de runtime de 64 bits).

Formato de Arquivo APK

O pacote do aplicativo Android é o formato de arquivo que contém todos os códigos, ativos, recursos, e certificados necessários para um aplicativo Android. É um arquivo .zip, mas usa a extensão de nome de arquivo .apk. Quando expandido, o conteúdo de um .apk criado pelo Xamarin.Android pode ser visto na captura de tela abaixo:

Uma breve descrição do conteúdo do arquivo .apk:

• AndroidManifest.xml – Este é o AndroidManifest.xml arquivo, em formato XML binário.

• classes.dex – contém o código do aplicativo, compilado dex no formato de arquivo usado pela VM de runtime do Android.

• resources.arsc : esse arquivo contém todos os recursos pré-compilados para o aplicativo.

• lib – Este diretório contém o código compilado para cada ABI. Ele contém uma subpasta para cada ABI que foi descrita na seção anterior. Na captura de tela acima, o .apk em questão tem bibliotecas nativas para ambos armeabi-v7a e x86.

• META-INF – Este diretório (se presente) é usado para armazenar informações de assinatura, pacote e dados de configuração de extensão.

• res – Este diretório contém os recursos que não foram compilados no resources.arsc .

Suporte a ABI de dispositivos Android

Cada dispositivo Android é compatível com a execução do código nativo em até duas ABIs:

• A ABI "primária" – Corresponde ao código de máquina usado na imagem do sistema.

• Uma ABI "secundária" – Esta é uma ABI opcional que também é suportada pela imagem do sistema.

Por exemplo, um dispositivo ARMv5TE típico só terá uma ABI primária de armeabi, enquanto um dispositivo ARMv7 deve especificar uma ABI primária de armeabi-v7a e uma ABI secundária de armeabi. Um dispositivo x86 típico só deverá especificar uma ABI primária de x86.

Instalação da biblioteca nativa do Android

No tempo de instalação do pacote, bibliotecas nativas dentro de .apk são extraídas no diretório de bibliotecas nativas do aplicativo (normalmente /data/data/<package-name>/lib) e depois disso são referidas como $APP/lib.

O comportamento de instalação de biblioteca nativa do Android varia consideravelmente entre versões do Android.

Instalar bibliotecas nativas: pré-Android 4.0

Android anterior ao 4.0 Ice Cream Sandwich apenas extrairá bibliotecas nativas de uma única ABI dentro do .apk. Aplicativos do Android dessa época tentarão primeiro extrair todas as bibliotecas nativas para a ABI primária e, se essas bibliotecas não existirem, o Android extrairá então todas as bibliotecas nativas para a ABI secundária. Nenhuma "mesclagem" é realizada.

Por exemplo, considere uma situação em que um aplicativo é instalado em um dispositivo armeabi-v7a. O .apk,, que é compatível com ambos armeabi e armeabi-v7a, contém os seguintes diretórios e arquivos lib de ABI:

lib/armeabi/libone.so
lib/armeabi/libtwo.so
lib/armeabi-v7a/libtwo.so

Após a instalação, o diretório de biblioteca nativa conterá:

$APP/lib/libtwo.so # from the armeabi-v7a directory in the apk

Em outras palavras, nenhum libone.so é instalado. Isso causará problemas, pois libone.so não estará presente para que o aplicativo seja carregado em tempo de execução. Esse comportamento, embora inesperado, foi registrado como um bug e reclassificado como "funcionando como esperado."

Consequentemente, ao usar versões do Android anteriores à 4.0 como destino, é necessário fornecer todas as bibliotecas nativas para cada ABI à qual o aplicativo em questão dará suporte, ou seja, o .apk deve conter:

lib/armeabi/libone.so
lib/armeabi/libtwo.so
lib/armeabi-v7a/libone.so
lib/armeabi-v7a/libtwo.so

Instalando bibliotecas nativas: Android 4.0 - Android 4.0.3

O Android 4.0 Ice Cream Sandwich altera essa lógica de extração. Ele enumerará todas as bibliotecas nativas, verá se o nome base do arquivo já foi extraído e, se ambas as seguintes condições forem atendidas, a biblioteca será extraída:

• Ele já não foi extraído.

• A ABI da biblioteca nativa corresponde à ABI primária ou secundária do destino.

Cumprir essas condições permite um comportamento de "mesclagem"; ou seja, se nós temos um .apk com o seguinte conteúdo:

lib/armeabi/libone.so
lib/armeabi/libtwo.so
lib/armeabi-v7a/libtwo.so

Em seguida, após a instalação, o diretório de biblioteca nativa conterá:

$APP/lib/libone.so
$APP/lib/libtwo.so

Infelizmente, esse comportamento é dependente da ordem, conforme descrito no seguinte documento – Problema 24321: o Galaxy Nexus 4.0.2 usa código nativo armeabi quando ambos armeabi e armeabi-v7a estão incluídos no apk.

As bibliotecas nativas são processadas "em ordem" (conforme listadas, por exemplo, pela descompactação) e a primeira correspondência é extraída. Já que o .apk contém as versões armeabi e armeabi-v7a de libtwo.so e o armeabi é listado primeiro, é a versão armeabi que é extraída, não a versão armeabi-v7a:

$APP/lib/libone.so # armeabi
$APP/lib/libtwo.so # armeabi, NOT armeabi-v7a!

Além disso, mesmo se os duas ABIs armeabi e armeabi-v7a são especificadas (conforme descrito abaixo na seção Declarar ABIs compatíveis), o Xamarin.Android cria o seguinte elemento no .csproj: csproj:

<AndroidSupportedAbis>armeabi,armeabi-v7a</AndroidSupportedAbis>

Consequentemente, o armeabi libmonodroid.so será encontrado primeiro dentro do .apk e o armeabi libmonodroid.so será o extraído, embora o armeabi-v7a libmonodroid.so esteja presente e otimizado para o destino. Isso também pode resultar em erros de tempo de execução obscuros, pois armeabi não é seguro para SMP.

Instalar bibliotecas nativas: Android 4.0.4 e posterior

O Android 4.0.4 altera a lógica de extração: ele enumerará todas as bibliotecas nativas, lerá o nome base do arquivo e, em seguida, extrairá a versão da ABI primária (se presente) ou da ABI secundária (se presente). Isso permite um comportamento de "mesclagem"; ou seja, se nós temos um .apk com o seguinte conteúdo:

lib/armeabi/libone.so
lib/armeabi/libtwo.so
lib/armeabi-v7a/libtwo.so

Em seguida, após a instalação, o diretório de biblioteca nativa conterá:

$APP/lib/libone.so # from armeabi
$APP/lib/libtwo.so # from armeabi-v7a

Xamarin.Android e ABIs

O Xamarin.Android é compatível com as seguintes arquiteturas 64 bits:

• arm64-v8a
• x86_64

O Xamarin.Android é compatível com as seguintes arquiteturas 32 bits:

• armeabi ^
• armeabi-v7a
• x86

O Xamarin.Android não é compatível com mips no momento.

Declarar ABIs compatíveis

Por padrão, o Xamarin.Android usará armeabi-v7a para builds de versão, mas usará armeabi-v7a e x86 para builds de depuração. O suporte para ABIs diferentes pode ser definido com as Opções de Projeto para um projeto Xamarin.Android. No Visual Studio, isso pode ser definido na seção Opções do Android do projeto Propriedades, na guia Avançado, conforme mostrado na seguinte captura de tela:

No Visual Studio para Mac, as arquiteturas compatíveis podem ser selecionadas na página Build do Android das Opções de Projeto, na guia Avançado, conforme mostrado na seguinte captura de tela:

Há algumas situações em que é necessário declarar suporte a ABIs adicionais, como ao:

• Implantar o aplicativo em um dispositivo x86.

• Implantação do aplicativo em um dispositivo armeabi-v7a para garantir o acesso thread-safe.

Resumo

Este documento aborda as arquiteturas de CPU diferentes em que um aplicativo Android pode ser executado. Ele apresentou a interface binária de aplicativo e como ela é usada pelo Android para dar suporte a arquiteturas de CPU diferentes. Na sequência, ele abordou como especificar o suporte a ABI em um aplicativo Xamarin.Android e destacou os problemas que podem surgir ao usar aplicativos Xamarin.Android em um dispositivo armeabi-v7a destinado apenas para armeabi.

Links relacionados

• NDK do Android
• Problema 9089: Nexus One – não é possível carregar NENHUMA biblioteca nativa do armeabi se há pelo menos uma biblioteca no armeabi-v7a
• Problema 24321: o Galaxy Nexus 4.0.2 usa código nativo do armeabi quando ambos o armeabi e o armeabi-v7a são incluídos no apk