0.2 API和ABI的区别

结论先行，直接说结论

• API 是“怎么用”：开发者通过 API 编写代码，调用功能。
• ABI 是“怎么执行”：程序运行时，CPU 和操作系统根据 ABI 规则执行机器码。

1. 抽象层级：源代码 vs 二进制代码

• API（Application Programming Interface）

  • 源代码级别的接口：开发者通过 API 编写代码时，只需要知道函数名、参数类型、返回值等逻辑上的规则。

• ABI（Application Binary Interface）

  • 二进制级别的接口：当代码被编译成机器码后，程序如何与操作系统或其他库交互，需要遵循 ABI 的规则。

假设我们有两个文件：

1. add.c（定义一个加法函数）

// add.c
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

2. main.c（调用 add 函数）

// main.c
#include <stdio.h>

extern int add(int a, int b); // 声明 add 函数

int main() {
    int result = add(3, 5);
    printf("Result: %d\n", result);
    return 0;
}

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场景 1：使用相同的 ABI 编译

我们使用 GCC 编译器（默认遵循 x86_64 的 System V ABI）：

gcc -c add.c -o add.o
gcc -c main.c -o main.o
gcc add.o main.o -o program
./program

输出：

Result: 8

解释：

• API：add(int a, int b) 是源码级别的接口，开发者通过这个 API 调用函数。
• ABI：GCC 按照 x86_64 的 System V ABI 规则生成二进制代码：
  • 参数 a 和 b 通过寄存器 RDI 和 RSI 传递。
  • 返回值通过寄存器 RAX 返回。
  • 所有代码和数据对齐方式符合 ABI 规范。

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场景 2：ABI 不兼容导致的问题

假设我们换一个编译器（比如 MSVC，遵循 Windows 的 x64 ABI），并重新编译 add.c：

# 使用 MSVC 编译 add.c（假设生成 add.obj）
cl /c add.c

然后尝试用 GCC 编译 main.c 并链接：

gcc main.c add.obj -o program

结果：

• 链接失败 或 运行时崩溃。

原因：

• API 一致：add(int a, int b) 的源码接口是相同的。
• ABI 不同：
  • Windows x64 ABI 的参数传递规则不同（例如，前四个参数通过 RCX, RDX, R8, R9 传递）。
  • System V ABI 的参数传递规则不同（例如，前六个参数通过 RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9 传递）。
  • 由于参数传递方式不同，main.c 中的 add(3, 5) 会将参数错误地放入寄存器，导致 add.obj 中的函数无法正确接收参数。

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2. 兼容性影响：编译错误 vs 运行时崩溃

• API 的变化

  • 如果 API 变化（例如函数名或参数类型被修改），源代码会无法编译。

• ABI 的变化

  • 如果 ABI 变化（例如函数参数传递方式或结构体内存布局被修改），已编译的程序可能在运行时崩溃。

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3. 应用场景：开发者 vs 系统/硬件

• API 的场景

  • 开发者直接使用：API 是开发者编写代码时的“工具说明书”。
  • 典型例子：
    • 调用操作系统提供的 API（如 Linux 的 read() 或 write()）。
    • 使用第三方库的 API（如 Python 的 requests.get()）。

• ABI 的场景

  • 隐藏在底层：开发者通常不直接操作 ABI，但程序的运行依赖它。
  • 典型例子：
    • 不同编程语言之间的调用（如 C 代码生成的库被 Python 调用，需保证数据布局一致）。
    • 操作系统内核与驱动的交互（如驱动模块必须符合内核的 ABI 规范）。

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4. 操作系统的角色

• API 是操作系统对外提供的“功能清单”

  • 例如，Linux 的 man 2 read 文档描述了 read() 函数的 API：参数、返回值、错误码等。
  • 开发者通过 API 编写代码，调用这些函数。

• ABI 是操作系统对内提供的“执行规则”

  • 例如，read() 函数的实现需要遵循 x86 架构的 ABI：参数如何传递（如通过寄存器 rdi、rsi、rdx），返回值如何处理（如通过寄存器 rax）。
  • 程序运行时，CPU 根据 ABI 的规则执行机器码。

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总结对比表

特性	API	ABI
抽象层级	源代码级别	二进制代码级别
关注点	函数、参数、返回值等逻辑规则	数据类型布局、寄存器使用、参数传递等物理规则
兼容性影响	API 变化 → 编译错误	ABI 变化 → 运行时崩溃
开发者可见性	可见（通过文档或头文件）	通常不可见（由编译器/链接器处理）
典型场景	调用库函数、微服务接口	跨语言调用、动态库更新、系统调用

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