Android NDK 入门与实践

NDK 是什么

NDK 全称 Native Development Kit，可以让您在 Android 应用中调用 C 或 C++ 代码的工具。

NDK 好处

1、NDK 可以生成 .so 文件, 方便代码共享；

2、增加反编译的难度；

3、提高性能。

NDK 构建

版本说明

Android Studio：3.0.1
Android Plugin for Gradle： com.android.tools.build:gradle:3.0.1
Gradle：4.1

效果预览

图 1

如图是使用命令 ndk-build，生成对应的 so 文件。

开始

一开始我们需要在 jni 目录下新建 Android.mk、Application.mk、HelloCPP.cpp 文件。

Android.mk

必须在 jni 文件夹内创建 Android.mk 配置文件， ndk-build 脚本将查看此文件，其中定义了模块及其名称、要编译的源文件、版本标志以及要链接的库。

# 构建系统提供的宏函数 my-dir 将返回当前目录（包含 Android.mk 文件本身的目录）的路径，基本上是固定的，不需要去动
LOCAL_PATH := $(call my-dir)

# 会清除很多 LOCAL_XXX 变量，不会清除 LOCAL_PATH，基本上是固定的，不需要去动
include $(CLEAR_VARS)

# 需要构建模块的名称，会自动生成相应的 libNDKSample.so 文件，每个模块名称必须唯一，且不含任何空格
LOCAL_MODULE := NDKSample

# 包含要构建到模块中的 C 或 C++ 源文件列表
LOCAL_SRC_FILES := HelloCPP.cpp

# 指定这个模块里会用到哪些原生 API，详见：https://developer.android.google.cn/ndk/guides/stable_apis.html
LOCAL_LDLIBS := -llog

# 帮助系统将所有内容连接到一起，固定的，不需要去动
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

Application.mk

用于描述应用需要的原生模块，模块可以是静态库、共享库或可执行文件。Application.mk 通常也位于 jni 目录下。

# 选择不同的 ABI，多个使用空格作为分隔符，全部是all
APP_ABI := all

# 指定要使用的运行时
APP_STL := gnustl_static

调用 C 或 C++

配置好 Android.mk 和 Application.mk，有两种方法可以调用 C 或 C++ 代码。现在我们写个方法，然后演示下 Android 这边的调用。

HelloCPP.cpp

简单返回一个字符串，C 或 C++ 这块我也不是很懂，能看懂大概意思，会调用就好了。

#include <jni.h>

extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_wuxiaolong_ndksample_HelloLibrary_sayHello(JNIEnv *env, jobject instance) {
    //从 C++ 传字符串到 Java
    return env->NewStringUTF("Hello from C++");
}

说明：

1、extern "C"：实现 C 和 C++ 的混合编程，用于 C++ 代码调用 C 的函数；

2、JNIEXPORT 和 JNICALL，用于标识函数用途的两个宏；

3、jstring，JNI 中的数据类型，对应 Java 中 String 类型，还有 8 种基本数据类型 jbyte、jchar、jshort、jint、jlong、jfloat、jdouble、jboolean，引用数据类型 jintArray、jshortArray、jlongArray 等。

4、函数命名规则：Java_类全路径_方法名，这里的类是那个调用 C 或 C++ 的类，像这里的 Java_com_wuxiaolong_ndksample_HelloLibrary_sayHello ；

5、函数至少有两个参数，第一个参数：JNIEnv* 是定义任意 native 函数的第一个参数（包括调用 JNI 的 RegisterNatives 函数注册的函数），指向 JVM 函数表的指针，函数表中的每一个入口指向一个 JNI 函数，每个函数用于访问 JVM 中特定的数据结构；第二个参数：调用 Java 中 native 方法的实例或 Class 对象，如果这个 native 方法是实例方法，则该参数是 jobject，如果是静态方法，则是 jclass。

自动编译

直接调用 C 或 C++ 代码，也可用于调试。

build.gradle

android {
    compileSdkVersion 27
    defaultConfig {
        //……
        externalNativeBuild {
            ndkBuild {
                //指定 Application.mk 的路径
                arguments "NDK_APPLICATION_MK:=src/main/jni/Application.mk"
                //指定生成哪些平台的 so 文件
                //abiFilters "armeabi-v7a", "armeabi"
                //cFlags 和 cppFlags 是用来设置环境变量的, 一般不需要动
                cFlags "-DTEST_C_FLAG1", "-DTEST_C_FLAG2"
                cppFlags "-DTEST_CPP_FLAG2", "-DTEST_CPP_FLAG2"

            }
        }
    }
    externalNativeBuild {
        ndkBuild {
            //指定 Android.mk 的路径
            path "src/main/jni/Android.mk"
        }
    }

}

Sync Now，会看见项目多了 .externalNativeBuild 文件夹：

so 文件输出目录

app/build/intermediates/ndkBuild/debug/obj/local/arm64-v8a/libNDKSample.so

手动编译

使用命令 ndk-build，也可以生成对应的 so 文件，然后项目中调用。弊端 C 或 C++ 代码改动了，需要再次编译。

下载 NDK

配置环境变量

下载后 NDK 地址：/Users/wuxiaolong/Library/Android/sdk/ndk-bundle，进行 NDK 环境变量配置。

NDK 编译

进入 jni 目录，运行命令 ndk-build，如下：

so 文件输出目录

会在 jni 同一目录生成 libs，里面有对应的 abi。

build.gradle

需要 app/build.gradle 指定 so 文件路径方可调用。

android {
    //……
    sourceSets.main {
        jni.srcDirs = []
        jniLibs.srcDir 'src/main/libs'
    }
}

CMake

Android Studio 用于构建原生库的默认工具是 CMake，由于很多现有项目都使用构建工具包编译其原生代码，Android Studio 还支持 ndk-build，如果您在创建新的原生库，则应使用 CMake。

如果您的原生源文件还没有 CMake 构建脚本，则您需要自行创建一个并包含适当的 CMake 命令。CMake 构建脚本是一个纯文本文件，您必须将其命名为 CMakeLists.txt。本部分介绍了您应包含到构建脚本中的一些基本命令，用于在创建原生库时指示 CMake 应使用哪些源文件。

注：如果您的项目使用 ndk-build，则不需要创建 CMake 构建脚本。提供一个指向您的 Android.mk 文件的路径，将 Gradle 关联到您的原生库。

要创建一个可以用作 CMake 构建脚本的纯文本文件，请按以下步骤操作：

安装 CMake；

Tools > Android > SDK Manager，点击 SDK Tools 标签，选中 CMake，点击 Apply 安装；

新建 CMakeLists.txt

CMakeLists.txt 主要用于声明CMake使用版本、so库名称、C/CPP文件路径等信息。

1、从 IDE 的左侧打开 Project 窗格并从下拉菜单中选择 Project 视图；

2、右键点击您的模块的根目录并选择 New > File；

3、输入“CMakeLists.txt”作为文件名并点击 OK；

CMakeLists.txt 示例：

# 设置构建本地库所需的最小版本
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

# 编译出一个动态库 HelloCPP，源文件只有 src/main/cpp/HelloCPP.cpp
add_library( # 设置库的名称，即 SO 文件的名称
             NDKSample

             # STATIC：静态库，是目标文件的归档文件，在链接其它目标的时候使用。
             # SHARED：动态库，会被动态链接，在运行时被加载。
             # MODULE：模块库，是不会被链接到其它目标中的插件，但是可能会在运行时使用dlopen-系列的函数动态链接。
             SHARED

             # 要编译的源代码文件
             src/main/cpp/HelloCPP.cpp )


# 指定的是头文件的目录
# include_directories(src/main/cpp/include/)


# 添加 NDK API，Android NDK 提供了一套实用的原生 API 和库，通过将 NDK 库包含到项目的 CMakeLists.txt 脚本文件中。
find_library( # 定位 Android 特定的日志支持库并将其路径存储在 log-lib 中
              log-lib

              # Specifies the name of the NDK library that
              # CMake needs to locate.
              log )

# 为了确保您的原生库可以在 log 库中调用函数，您需要使用 CMake 构建脚本中的 target_link_libraries() 命令关联库。
target_link_libraries( # Specifies the target library.
                       NDKSample

                       # Links the log library to the target library.
                       ${log-lib} )

C 或 C++ 代码

main 下面增加了 cpp 目录，即放置 C 或 C++ 代码的地方；

HelloCPP.cpp

#include <jni.h>
#include <string>

extern "C"

JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_wuxiaolong_cmake_HelloLibrary_sayHello(JNIEnv *env, jobject) {
    //从 C++ 传字符串到 Java
    std::string hello = "Hello from C++ by cmake";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

app/build.gradle

android {

    defaultConfig {
        //……
        externalNativeBuild {
            cmake {
                //设置 C++ flag，可选配置，-frtti 表示项目支持RTTI；-fexceptions 表示当前项目支持C++异常处理
                cppFlags "-frtti -fexceptions"
                //arguments 语法：-D + 变量，更多变量：https://developer.android.com/ndk/guides/cmake.html
                arguments "-DANDROID_ARM_NEON=TRUE"

            }

        }
        // 指定 ABI
        ndk {
            // Specifies the ABI configurations of your native
            // libraries Gradle should build and package with your APK.
            abiFilters 'armeabi', 'armeabi-v7a'
        }


    }
    externalNativeBuild {
        cmake {
            //指明 CMakeList.txt 路径
            path "CMakeLists.txt"
        }
    }


}

so 文件输出目录

app/build/intermediates/cmake/

如果在 New Project 时，勾选 Include C++ support，会自动生成上面这些，有个示例。CMake 没有 Android.mk、Application.mk 文件了。

HelloLibrary

创建 HelloLibrary 用于调用 C 或 C++ 代码。

public class HelloLibrary {
    static {
        //ndk-build，这里对应 Android.mk 里的 LOCAL_MODULE := NDKSample
        //CMake，这里对应 CMakeLists.txt 里的 add_library NDKSample
        System.loadLibrary("NDKSample");
    }

    //使用 native 关键字指示以原生代码形式实现的方法
    public native String sayHello();


}

调用 HelloLibrary

可以在自己的 Activity 调用。

TextView text = findViewById(R.id.text);
text.setText(new HelloLibrary().sayHello());

调试

如果 C 或 C++ 那边代码出问题了，调试起来要命的，之前只能 log，现在 Android Studio 提供了打断点来 debug C 或 C++ 代码，需要使用 LLDB 来检测到 C 或 C++ 代码中的断点，这里要使用 externalNativeBuild 方式自动编译 C/C++ 代码，才能进入断点进行调试。