## C++（CPP）在Android開發中的應用 ## #### 使用純Java開發App的缺點 ### - 在某些場合下，使用純Java開發Android應用程序不完美，比如： - 有高性能算法，Java語言無法滿足 - 有跨平臺需求，希望將App移植到iOS（現在很多設計都是C語言和C++來寫底層，Android來寫界面） - 已有代碼的重用 #### 為什么使用NDK #### 1. 代碼的保護。由于apk 的java 層代碼很容易被反編譯，而C/C++庫反編譯難度較大。 2. 可以方便地使用現存的開源庫。大部分現存的開源庫都是用C/C++代碼編寫的。 3. 提高程序的執行效率。將要求高性能的應用邏輯使用C 開發，從而提高應用程序的執行效率。 4. 便于移植。用C/C++寫得庫可以方便在其他的嵌入式平臺上再次使用。 ### 引入NDK #### - 早在Android 1.6(2009年)時，google就提供了NDK（native development kit），NDK包括了一套Android的交叉編譯環境和開發庫，利用它可以編寫C/C++程序，并編譯成Android環境下使用的動態庫，Java代碼通過Jni規范，調用C/C++寫的動態庫。 - NDK - NDK是一系列工具的集合。 - 它提供了一系列的工具，幫助開發者快速開發C（或C++）的動態庫，并能自動將so和java應用一起打包成apk。這些工具對開發者的幫助是巨大的。它集成了交叉編譯器，并提供了相應的mk文件隔離CPU、平臺、ABI等差異，開發人員只需要簡單修改mk文件（指出“哪些文件需要編譯”、“編譯特性要求”等），就可以創建出so。它可以自動地將so和Java應用一起打包，極大地減輕了開發人員的打包工作。 - NDK 提供了一份穩定、功能有限的API 頭文件聲 - Google 明確聲明該API 是穩定的，在后續所有版本中都穩定支持當前發布的API。從該版本的NDK中看出，這些API 支持的功能非常有限，包含有：C 標準庫（libc）、標準數學庫（libm）、壓縮庫（libz）、Log 庫（liblog）。 - JNI - JavaNative Interface (JNI)標準是java平臺的一部分，JNI是Java語言提供的Java和C/C++相互溝通的機制，Java可以通過JNI調用本地的C/C++代碼，本地的C/C++的代碼也可以通過JNI調用java代碼。JNI 是本地編程接口，Java和C/C++互相通過的接口。Java通過C/C++使用本地的代碼的一個關鍵性原因在于C/C++代碼的高效性。 - 總結 - NDK就是為我們生成了c/c++的動態鏈接庫而已，JNI只不過是java和c溝通的工具，兩者與Android沒有半毛錢關系，只因為安卓是java程序開發然后jni又能與c溝通，所以使“Java+C”的開發方式終于轉正。 - Android是JVM架設在Linux之上的架構。所以無論如何，在Linux OS層面，都應該可以跑C/C++程序。 - Android Native C就是使用C/C++程序直接跑到Linux OS層面上的程序。與其它平臺類似，只需要交叉編譯后。并得到Linux OS root權限，就可以直接跑起來了。 - 官方定義：Android NDK 是一套允許您使用原生代碼語言（例如 C 和 C++）實現部分應用的工具集。在開發某些類型應用時，這有助于您重復使用以這些語言編寫的代碼庫。 - 目前最新的Android Studio 2.2中，集成了C/C++開發環境，開發人員在使用C/C++更加簡單了。（以前，寫Android的jni庫時，需要用到Android.mk，Application.mk這些配置，來交叉編譯） - Android.mk，負責配置如下內容： - （1） 模塊名（LOCAL_MODULE） - （2） 需要編譯的源文件（LOCAL_SRC_FILES） - （3） 依賴的第三方庫（LOCAL_STATIC_LIBRARIES，LOCAL_SHARED_LIBRARIES） - （4） 編譯/鏈接選項（LOCAL_LDLIBS、LOCAL_CFLAGS） - Application.mk，負責配置如下內容： - （1） 目標平臺的ABI類型（默認值：armeabi）（APP_ABI） -  - （2） Toolchains（默認值：GCC 4.8） - （3） C++標準庫類型（默認值：system）（APP_STL） - （4） release/debug模式（默認值：release） - [NDK中文官方開發技術文檔 ](https://developer.android.google.cn/ndk/index.html) - NDK下載地址 - [NDK 下載 ](https://developer.android.google.cn/ndk/downloads/index.html) - [AndroidDevTools](http://www.androiddevtools.cn/)（隨時更新官網最新版本） - [官方下載](https://developer.android.com/ndk/downloads/index.html)（需要翻墻，而且翻墻后網站的NDK版本都不是最新版本） - 網友找到的一些版本----[NDK各個版本鏈接](http://blog.csdn.net/shuzfan/article/details/52690554) - 也可以打開---AndroidDevTools網站的上各個大學的鏡像網站，找到Android，點擊repository。可以看到最新最全的各個版本（包括sdk、sdktools、platform、platform-tools、Android源碼等等官網上所持有的所有的資源），如下圖是打開的大連東軟信息學院鏡像服務器中的Android資源 - 注意：NDK的r10版本以上，就已經集成了Cygwin的UNIX虛擬機的功能，不需要安裝Cygwin的UNIX環境 -  - - 下載完成，解壓到自己認為合適的目錄，**注意：目錄路徑中不能有中文和空格** ###創建NDK項目（支持 C/C++ 的新項目）（project） - 創建項目過程中，遇到問題，建議參考官網文章----[向您的項目添加 C 和 C++ 代碼](https://developer.android.com/studio/projects/add-native-code.html)（貌似需要翻墻，沒法翻墻的可以查看[在 Android Studio 2.2 中愉快地使用 C/C++ ](http://blog.csdn.net/wl9739/article/details/52607010)），而且這篇文章提到以下幾點 - Android Studio 用于構建原生庫的默認工具是 CMake。由于很多現有項目都使用構建工具包編譯其原生代碼，Android Studio 還支持 [ndk-build](https://developer.android.com/ndk/guides/ndk-build.html)。如果您想要將現有的 ndk-build 庫導入到您的 Android Studio 項目中，請參閱介紹如何配置 Gradle 以[關聯到您的原生庫](https://developer.android.com/studio/projects/add-native-code.html#link-gradle)的部分。不過，如果您在創建新的原生庫，則應使用 CMake。 - 下載 NDK 和構建工具 要為您的應用編譯和調試原生代碼，您需要以下組件： - [Android 原生開發工具包 (NDK)](https://developer.android.com/ndk/index.html)：這套工具集允許您為 Android 使用 C 和 C++ 代碼，并提供眾多平臺庫，讓您可以管理原生 Activity 和訪問物理設備組件，例如傳感器和觸摸輸入。 - [CMake](https://cmake.org/)：一款外部構建工具，可與 Gradle 搭配使用來構建原生庫。如果您只計劃使用 ndk-build，則不需要此組件。[使用CMake變量](https://developer.android.com/ndk/guides/cmake.html#variables) - [LLDB](http://lldb.llvm.org/)：一種調試程序，Android Studio 使用它來[調試原生代碼](https://developer.android.com/studio/debug/index.html) - 您可以使用 SDK 管理器安裝這些組件： - 在打開的項目中，從菜單欄選擇 Tools > Android > SDK Manager。 - 點擊 SDK Tools 標簽。 - 選中 LLDB、CMake 和 NDK 旁的復選框，如圖所示。 -  #### 創建NDK項目（支持 C/C++ 的新項目）（project）或者在一個已存在的項目中創建NDK module #### - 創建一個NDK項目 - 創建支持原生代碼的項目與創建任何其他 Android Studio 項目類似，不過還需要額外幾個步驟：把 Include C++ support的勾打上  - 一直next，直到出一個左邊一大白色C++的方形框時，表示這是一個C++的項目，右邊選擇C++標準，可以選擇默認的Toolchain Default，同時可以選擇C++11，因為C++11有更多的新特性和功能。，一般選擇C++11。  - 點擊Finish后，進入工程目錄，如圖所示，除了java文件夾外多了一個cpp文件夾，cpp就是存放c和c++代碼的文件夾，如下圖所示  - 同時，下面為CMakeLists.txt和build.gradle中的內容 - CMakeLists.txt（注釋部分已刪除） -  - build.gradle中的內容 -  - PS：如果在創建project時，沒有勾選，就只是一個簡單的AS的Android項目，這時如果想要創建C++項目，可以參考下面的在module中 - 如何在一個module中添加CPP組件，創建原生源文件 - 一般，我們的項目創建時并不是一個C++項目，而是一個Android普通的項目，如果需要用到NDK，JNI方面的，這時就需要添加CPP組件，原生源文件，之前都是用ndk-build命令來進行NDK開發，所以正如上面這篇文章（向您的項目添加 C 和 C++ 代碼）所述---->由于很多現有項目都使用構建工具包編譯其原生代碼，Android Studio 還支持 ndk-build（已非主流，過時）。如果您想要將現有的 ndk-build 庫導入到您的 Android Studio 項目中，請參閱介紹如何配置 Gradle 以關聯到您的原生庫的部分。不過，如果您在創建新的原生庫，則應使用 CMake。但是還是推薦使用CMake，因為在Android2.2以后的版本，進行JNI開發，更方便 - 同樣，我們需要認真閱讀[《向您的項目添加 C 和 C++ 代碼》](https://developer.android.com/studio/projects/add-native-code.html)的---->”向現有項目添加 C/C++ 代碼“這一小章節，注意CMake構建的腳本 CMakeLists.txt中的內容和build.gradle中的注意細節，一定要認真閱讀[《向您的項目添加 C 和 C++ 代碼》](https://developer.android.com/studio/projects/add-native-code.html)，或者可以參考上面創建C++項目的build.gradle和CMakeLists.txt中的內容。 #### 添加 NDK API #### - Android NDK 提供了一套實用的原生 API 和庫。通過將 [NDK 庫](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html)包含到項目的 CMakeLists.txt 腳本文件中，您可以使用這些 API 中的任意一種。 - [NDK 庫（Android NDK 原生 API）](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html) - [概覽](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#purpose) - [主要的原生 API 更新](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#mnu)（[Android平臺版本對應的API等級](https://developer.android.com/guide/topics/manifest/uses-sdk-element.html#ApiLevels)） - [Android API 級別 3](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#a3) - [Android API 級別 4](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#a4) - [Android API 級別 5](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#a5) - [Android API 級別 8](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#a8) - [Android API 級別 9](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#a9) - 從 API 級別 9 開始，您可以使用原生代碼編寫整個 Android 應用，無需使用任何 Java。注：在原生代碼中編寫您的應用本身并不能讓您的應用在 VM 中運行。 此外，您的應用仍必須通過 JNI 訪問 Android 平臺的大部分功能 - [Android API 級別 14](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#a14) - [Android API 級別 18 ](https://developer.android.com/ndk/guides/stable_apis.html#a18) #### JNI規范 #### - 在進行NDK開發時，閱讀官網的《[向您的項目添加 C 和 C++ 代碼](https://developer.android.com/studio/projects/add-native-code.html)》涉及到的[Android 的 JNI 提示](https://developer.android.com/training/articles/perf-jni.html)，而在[Android 的 JNI 提示](https://developer.android.com/training/articles/perf-jni.html)中又涉及到了[JNI規范](http://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/jni/spec/jniTOC.html)，來了解JNI如何工作，以及JNI的特點。 - 早已有大神將官方的文檔翻譯（可以說是摘抄）到自己的博客了 - [《Java 本地接口規范》](http://blog.csdn.net/zhanghw0917/article/details/7000377) - [《Java 本地接口規范》- 簡介 ](http://blog.csdn.net/snowdream86/article/details/6886954) - [已整理的目錄篇](http://116.196.111.149:8080/jni.htm) #### APK分析儀 #### - 如果您想要驗證 Gradle 是否已將原生庫打包到 APK 中，可以使用[APK分析器 ](https://developer.android.com/studio/build/apk-analyzer.html) - 步驟 - 選擇 Build > Analyze APK。 - 從 app/build/outputs/apk/ 目錄中選擇 APK 并點擊 OK。 - 如下圖所示，您會在 APK 分析器窗口的 lib/<ABI>/ 下看到 編譯好的動態庫`libnative-lib.so`。 -  - 提示：如果您想要試驗使用原生代碼的其他 Android應用，請點擊 File>New>Import Sample 并從Ndk列表中選擇示例項目。 #### 指定 ABI #### - APP_ABI - ABI全稱是：Application binary interface，即：應用程序二進制接口，它定義了一套規則，允許編譯好的二進制目標代碼在所有兼容該ABI的操作系統和硬件平臺中無需改動就能運行。（具體的定義請參考 [百度百科](https://baike.baidu.com/item/ABI/10912305#viewPageContent) 或者 維基百科 ） - 由上述定義可以判斷，ABI定義了規則，而具體的實現則是由編譯器、CPU、操作系統共同來完成的。不同的CPU芯片（如：ARM、Intel x86、MIPS）支持不同的ABI架構，常見的ABI類型包括：armeabi，armeabi-v7a，x86，x86_64，mips，mips64，arm64-v8a等。 - 這就是為什么我們編譯出來的可以運行于Windows的二進制程序不能運行于Mac OS/Linux/Android平臺了，因為CPU芯片和操作系統均不相同，支持的ABI類型也不一樣，因此無法識別對方的二進制程序。 - 而我們所說的“**交叉編譯**（在一個平臺上去編譯另一個平臺上可以執行的本地代碼）”的核心原理也跟這些密切相關，交叉編譯，就是使用交叉編譯工具，在一個平臺上編譯生成另一個平臺上的二進制可執行程序，為什么可以做到？因為交叉編譯工具實現了另一個平臺所定義的ABI規則。我們在Windows/Linux平臺使用Android NDK交叉編譯工具來編譯出Android平臺的庫也是這個道理。 - 支持的 ABI（每個 ABI 支持一個或多個指令集。下圖提供每個 ABI 支持的指令集概覽。） -  - 默認情況下，Gradle 會針對 [NDK 支持的 ABI](https://developer.android.com/ndk/guides/abis.html#sa) 將您的原生庫構建到單獨的 .so 文件中，并將其全部打包到您的 APK 中。如果您希望 Gradle 僅構建和打包原生庫的特定 ABI 配置，您可以在模塊級 build.gradle 文件中defaultConfig節點內使用 ndk.abiFilters 標志指定這些配置，如下所示：  - 在大多數情況下，您只需要在 ndk {} 塊中指定 abiFilters（如上所示），因為它會指示 Gradle 構建和打包原生庫的這些版本。不過，如果您希望控制 Gradle 應當構建的配置，并獨立于您希望其打包到 APK 中的配置，請在 defaultConfig.externalNativeBuild.cmake {} 塊（或 defaultConfig.externalNativeBuild.ndkBuild {} 塊中）配置另一個 abiFilters 標志。Gradle 會構建這些 ABI 配置，不過僅會打包您在 defaultConfig.ndk{} 塊中指定的配置。 - 為了進一步降低 APK 的大小，請考慮[配置 ABI APK 拆分](https://developer.android.com/studio/build/configure-apk-splits.html#configure-abi-split)，而不是創建一個包含原生庫所有版本的大型 APK，Gradle 會為您想要支持的每個 ABI 創建單獨的 APK，并且僅打包每個 ABI 需要的文件。如果您配置 ABI 拆分，但沒有像上面的代碼示例一樣指定 abiFilters 標志，Gradle 會構建原生庫的所有受支持 ABI 版本，不過僅會打包您在 ABI 拆分配置中指定的版本。為了避免構建您不想要的原生庫版本，請為 abiFilters 標志和 ABI 拆分配置提供相同的 ABI 列表。 #### 從 ndkCompile 遷移 #### - 如果您使用已過時的ndkCompile ，你應該遷移---使用 CMake 或 ndk-build 生成。因為ndkCompile生成的中間文件Android.mk 給你，遷移到ndk-build 可能是一個簡單的選擇。 - 從ndkCompile遷移到ndk-build，進行如下操作： 1. 使用ndkCompile，至少一次，通過Build > Make Project， 來編譯項目，這將為您生成Android.mk文件。 2. 通過 `project-root/module-root/build/intermediates/ndk/debug/Android.mk. `到找到的自動生成的Android.mk 文件。 3. 遷移Android.mk 文件到其他的目錄，比如和module下的build.gradle同一等級的目錄，這將確保 clean時，Gradle 并不會刪除該腳本文件， 4. 打開Android.mk文件并編輯腳本中的任何路徑，這樣，他們是相對于當前腳本文件的位置。 5. [Link Gradle to the Android.mk file. ](https://developer.android.com/studio/projects/add-native-code.html#link-gradle) 6. 禁用ndkCompile 通過打開build.properties文件并刪除以下行：`android.useDeprecatedNdk = true` 7. 通過單擊工具欄中的Sync Project ，應用這些改變。 #### 需要注意的幾點 #### - CMakeLists.txt腳本文件，`Android.mk`，`Application.mk`，這2個文件全是通過CMakeLists.txt來寫；如果項目目錄的CPP文件夾下有N個原生源文件，那么CMakeLists.txt中的add_library中就要對應有N個路徑，類似于native-lib.cpp ，對應的add_library就對應的`src/main/cpp/native-lib.cpp`，如果CPP有test.cpp，則add_library對應有`src/main/cpp/test.cpp`；這就是編譯的配置，而且相互之間空格隔開； - 這配置和module目錄下的build.gradle的`android--->externalNativeBuild--->cmake--->path "CMakeLists.txt"，`編譯build時，通過這個路徑path，找到CMakeLists.txt里面的構建命令，這是相互對應的。CMake是Unix自動化固件，跨平臺 - find_library是鏈接靜態庫，如果有其他的.so庫，就寫在find_library節點內。 - 在使用Cmake插件之前，是在module目錄下的build.gradle中配置NDK選項，以后就不需要在module目錄下的build.gradle中NDK，因為這些操作，都在CMakeLists.txt中配置好了 #### 具體的創建工程 #### - JNI知識總結 - cpp中原生源文件（.c、.cpp）方法名的命名規則 - 這里的命名規則只適用于跟java 文件中的native 方法相對應C 語言函數，而C 語言中的其他函數命名只要符合C 語言規則就行。java 文件中的native 方法有N個，對應的源文件中就有N個函數，來實現native方法。 - C++調用Java #### Java和C++字符串轉換 #### - JNI 基本類型和本地等效類型的對應表格如下：  - 引用類型，JNI 還包含了很對對應于不同Java 對象的引用類型，JNI 引用類型的組織層次如下圖  - Java中任何一種類型，在Jni中都有一種對應的類型，比如：String--->jstring，但是Java中String是雙字節的，在C++中不是雙字節的，這就涉及到一個字符串轉換，編碼的轉換 - string轉換為jstring ~~~ jstring c2j(JNIEnv* env, string cstr) { return env->NewStringUTF(cstr.c_str()); } ~~~ - jstring轉換為string ~~~ string j2c(JNIEnv* env, jstring jstr) { string ret; jclass stringClass = env->FindClass("java/lang/String"); jmethodID getBytes = env->GetMethodID(stringClass, "getBytes", "(Ljava/lang/String;)[B"); // 把參數用到的字符串轉化成java的字符 jstring arg = c2j(env, "utf-8"); jbyteArray jbytes = (jbyteArray)env->CallObjectMethod(jstr, getBytes, arg); // 從jbytes中，提取UTF8格式的內容 jsize byteLen = env->GetArrayLength(jbytes); jbyte* JBuffer = env->GetByteArrayElements(jbytes, JNI_FALSE); // 將內容拷貝到C++內存中 if(byteLen > 0) { char* buf = (char*)JBuffer; std::copy(buf, buf+byteLen, back_inserter(ret)); } // 釋放 env->ReleaseByteArrayElements(jbytes, JBuffer, 0); return ret; } ~~~ - jstring轉換成c語言的char* 類型  #### javah和javap - javah - 開發時，Java代碼中native聲明了本地方法，由于本地方法沒有方法體，需要到cpp文件中完善對應的本地方法，但是cpp中原生源文件（.c、.cpp）對應本地方法的方法名的命名很麻煩，如果一個一個來寫，可能會出錯，這時，可以使用javah來生成一個頭文件，該頭文件中直接寫好了Java代碼的本地方法對應的cpp中方法命名，可以直接復制到cpp文件中，這樣便捷高效。 - javah用于生成native接口定義，比如`javah com.wsc.wangsc.ndktest.Jni ` -  -  - jni類中native方法和.h頭文件中對應的方法如下圖紅色方框 -  -  - 這樣可以直接復制.h頭文件中方法命名到cpp文件中 - javap - javap作用 1. 反編譯 2. 生成函數簽名 - javap用于生成java函數的簽名，比如 `javap -s Jni`