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安卓JNI精细化讲解，让你彻底了解JNI（一）：环境搭建与HelloWord

由 懵懂的女人 提交于 2019-12-05 06:52:50
$\color{#2980C6}{目录}$

1、基础概念
├──1.1、JNI
├──1.2、NDK
├──1.3、CMake与ndk-build
2、环境搭建
3、Native C++ 项目（HelloWord案例）
├── 3.1、项目创建（java、kotlin）
├── 3.2、CMake的应用（详细讲解）
├── 3.3、ndk-build的应用（详细讲解）
***

1、基础概念

1.1、JNI

JNI（Java Native Interface）Java本地接口，使得Java与C/C++具有交互能力

1.2、NDK

NDK（Native Development Kit） 本地开发工具包，允许使用原生语言（C和C++）来实现应用程序的部分功能

Android NDK开发的主要作用：

1、特定场景下，提升应用性能；
2、代码保护，增加反编译难度；
3、生成库文件，库可重复使用，也便于平台、项目间移植；

1.3、CMake与ndk-build

当我们基于NDK开发出native功能后，通常需要编译成库文件，给Android项目使用。
目前，有两种主流的编译方式：__CMake__与ndk-build

__CMake__与__ndk-build__是两种不同的编译工具（与Android代码和C/C++代码无关）

CMake

CMake是Androidstudio2.2之后引入的跨平台编译工具（特点：简单易用，2.2之后是默认的NDK编译工具）

如何配置：
   1、创建CMakeLists.txt文件，配置CMake必要参数；
   2、使用gradle配置CMakeLists.txt以及native相关参数；

如何编译库文件：
   1、Android Studio执行Build即可；

ndk-build

ndk-build是NDK中包含的脚本工具（可在NDK目录下找到该工具，为了方便使用，通常配置NDK的环境变量）

如何配置：
   1、创建Android.mk文件，配置ndk-build必要参数；
   2、可选创建application.mk文件，配置ndk-build参数 (该文件的配置项可使用gradle的配置替代)；
   3、使用gradle配置Android.mk以及native相关参数；

2、如何编译库文件（两种方式）：
   1、Android Studio执行Build即可（执行了：Android.mk + gradle配置）；
   2、也可在Terminal、Mac终端、cmd终端中通过ndk-build命令直接构建库文件（执行了：Android.mk）

2、环境搭建

JNI安装
JNI 是JDK里的内容，电脑上正确安装并配置JDK即可 (JDK1.1之后就正式支持了);

NDK安装
可从官网自行下载、解压到本地，也可基于AndroidStudio下载解压到默认目录;

编译工具安装
cmake 可基于AndroidStudio下载安装;
ndk-build 是NDK里的脚本工具，NDK安装好即可使用ndk-build;

当前演示，使用的Android Studio版本如下（当前最新版）：

启动Android Studio --> 打开SDK Manager --> SDK Tools，如下图所示：

我们选择NDK、CMake、LLDB（调试Native时才会使用），选择Apply进行安装，等安装成功后，NDK开发所依赖的环境也就都齐全了。

3、Native C++ 项目（HelloWord案例）

3.1、项目创建（java / kotlin）

新建项目，选择 Native C++，如下图：

新创建的项目，默认已包含完整的native 示例代码、cmake配置 ，如下图：

这样，我们就可以自己定义Java native方法，并在cpp目录中写native实现了，很方便。

但是，当我们写完native的实现代码，希望运行APP，查看JNI的交互效果，此时，就需要使用编译工具了，咱们还是先看一下Android Studio默认的Native编译方式吧：CMake

3.2、CMake的应用

在CMake编译之前，咱们应该先做哪些准备工作？

1、NDK环境是否配置正确？
-- 如果未配置正确是无法进行C/C++开发的，更不用说CMake编译了

2、C/C++功能是否实现？ 
-- 此次演示主要使用系统默认创建的native-lib.cpp文件，关于具体如何实现：后续文章再详细讲解

3、CMakeLists.txt是否创建并正确配置？ 
-- 该文件是CMake工具编译的基础，未配置或配置项错误，均会影响编译结果

4、gradle是否正确配置？
-- gradle配置也是CMake工具编译的基础，未配置或配置项错误，均会影响编译结果

除此之外，咱们还应该学习CMake的哪些重要知识？

1、CMake工具编译生成的库文件默认在什么位置？apk中库文件又是在什么位置？
2、CMake工具如何指定编译生成的库文件位置？
3、CMake工具如何指定生成不同CPU平台对应的库文件？

带着这些问题，咱们开始CMake之旅吧：

3.2.1、NDK环境检查

编译前，建议先检查下工程的NDK配置情况（不然容易报一些乱七八糟的错误）：
File --> Project Structure --> SDK Location，如下图（我本地的Android Studio默认没有给配置NDK路径，那么，需要自己手动指定一下）：

3.2.2、C/C++功能实现

因为本节主讲CMake编译工具，代码就不单独写了，咱们直接使用工程默认生成的native-liv.cpp，简单调整一下native实现方法的代码吧（修改返回文本信息）：

因Native C++工程默认已配置好了CMakeLists.txt和gradle，所以咱们可直接运行工程看效果，如下图：

JNI交互效果我们已经看到了，说明CMake编译成功了。那么，这究竟是怎么做到的呢？咱们接着分析一下吧：

3.2.3、CMake生成的库文件与apk中的库文件

安卓工程编译时，会执行CMake编译，在 工程/app/build/.../cmake/ 中会产生对应的so文件，如下图：

继续编译安卓工程，会根据build中的内容，生成我们的*.apk安装包文件。我们找到、反编译apk安装包文件，查找so库文件。原来在apk安装包中，so库都被存放在lib目录中，如下图：

3.2.4、CMake是如何编译生成so库的呢？

在前面介绍CMake定义时，提到了CMake是基于CMakeLists.txt文件和gradle配置实现编译Native类的。那么，咱们先来看一下CMakeLists.txt文件吧：

#cmake最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

#添加库
add_library(
        # 库名
        native-lib

        # 类型：
        # SHARED 是指动态库，对应的是.so文件
        # STATIC 是指静态库，对应的是.a文件
        # 其他类型:略
        SHARED

        # native类路径
        native-lib.cpp)

# 查找依赖库
find_library( 
        # 依赖库别名
        log-lib

        # 希望加到本地的NDK库名称，log指NDK的日志库
        log)


# 链接库，建立关系（ 此处就是指把log-lib 链接给 native-lib使用 ）
target_link_libraries( 
        # 目标库名称（native-lib 是咱们要生成的so库）
        native-lib

        # 要链接的库（log-lib 是上面查找的log库）
        ${log-lib})

实际上，CMakeList.txt可配置的内容远不止这些，如：so输出目录，生成规则等等，有需要的同学可查下官网。

接着，咱们再看一下app的gradle又是如何配置CMake的呢？

apply plugin: 'com.android.application'

android {
    compileSdkVersion 29
    buildToolsVersion "29.0.1"
    defaultConfig {
        applicationId "com.qxc.testnativec"
        minSdkVersion 21
        targetSdkVersion 29
        versionCode 1
        versionName "1.0"
        testInstrumentationRunner "androidx.test.runner.AndroidJUnitRunner"
        //定义cmake默认配置属性
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags ""
            }
        }
    }
    
    //定义cmake对应的CMakeList.txt路径（重要）
    externalNativeBuild {
        cmake {
            path "src/main/cpp/CMakeLists.txt"
        }
    }
}

dependencies {
    implementation fileTree(dir: 'libs', include: ['*.jar'])
    implementation 'androidx.appcompat:appcompat:1.1.0'
    implementation 'androidx.constraintlayout:constraintlayout:1.1.3'
    testImplementation 'junit:junit:4.12'
    androidTestImplementation 'androidx.test.ext:junit:1.1.1'
    androidTestImplementation 'androidx.test.espresso:espresso-core:3.2.0'
}

实际上，gradle可配置的cmake内容也远不止这些，如：abi、cppFlags、arguments等，有需要的同学可查下官网。

3.2.5、如何指定库文件的输出目录？

如果希望将so库生成到特定目录，并让项目直接使用该目录下的so，应该如何配置呢？
比较简单：需要在CMakeList.txt中配置库的输出路径信息，即：

CMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY

# cmake最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

# 配置库生成路径
# CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR是指 cmake库的源路径，通常是build/.../cmake/
# /../jniLibs/是指与CMakeList.txt所在目录的同级目录：jniLibs (如果没有会新建)
# ANDROID_ABI 生成库文件时，采用gradle配置的ABI策略（即：生成哪些平台对应的库文件）
set(CMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/../jniLibs/${ANDROID_ABI})

# 添加库
add_library( # 库名
        native-lib

        # 类型：
        # SHARED 是指动态库，对应的是.so文件
        # STATIC 是指静态库，对应的是.a文件
        # 其他类型:略
        SHARED

        # native类路径
        native-lib.cpp)

# 查找依赖库
find_library(
        # 依赖库别名
        log-lib

        # 希望加到本地的NDK库名称，log指NDK的日志库
        log)


# 链接库，建立关系（ 此处就是指把log-lib 链接给native-lib使用 ）
target_link_libraries(
        # 目标库名称（native-lib就是咱们要生成的so库）
        native-lib

        # 要链接的库（上面查找的log库）
        ${log-lib})

还需要在gradle中配置 jniLibs.srcDirs 属性（即：指定了lib库目录）：

sourceSets {
        main {
            jniLibs.srcDirs = ['jniLibs']//指定lib库目录
        }
    }

接着，重新build就会在cpp相同目录级别位置生成jniLibs目录，so库也在其中了：

注意事项：
1、配置了CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR，并非表示编译时直接将so生成在该目录中，实际编译时，so文件仍然是
先生成在build/.../cmake/中，然后再拷贝到目标目录中的

2、如果只配置了CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR，并未在gradle中配置 jniLibs.srcDirs，也会有问题，如下：
More than one file was found with OS independent path 'lib/arm64-v8a/libnative-lib.so'

此问题是指：在编译生成apk时，发现了多个so目录，android studio不知道使用哪一个了，所以需要咱们
告诉android studio当前工程使用的是jniLibs目录，而非build/.../cmake/目录
3.2.5、如何生成指定CPU平台对应的库文件呢？

我们可以在cmake中设置abiFilters，也可在ndk中设置abiFilters，效果是一样的：

defaultConfig {
        applicationId "com.qxc.testnativec"
        minSdkVersion 21
        targetSdkVersion 29
        versionCode 1
        versionName "1.0"
        testInstrumentationRunner "androidx.test.runner.AndroidJUnitRunner"
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags ""
                abiFilters "arm64-v8a"
            }
        }
    }
defaultConfig {
        applicationId "com.qxc.testnativec"
        minSdkVersion 21
        targetSdkVersion 29
        versionCode 1
        versionName "1.0"
        testInstrumentationRunner "androidx.test.runner.AndroidJUnitRunner"
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags ""
            }
        }
        ndk {
            abiFilters "arm64-v8a"
        }
    }

按照新的配置，我们重新运行工程，如下图：

再反编译看下工程，果然只有arm64-v8a的so库了，不过库文件在apk中仍然是放在lib目录，而非jniLibs（其实也很好理解，jniLibs只是我们本地的目录，便于我们管理库文件，真正生成apk时，仍然会按照lib目录放置库文件），如下图：

至此，CMake的主要技术点都讲完了，接下来咱们看下NDK-Build吧~

3.3、ndk-build的应用

在ndk-build编译之前，咱们又应该先做哪些准备工作？

1、ndk-build环境变量是否正确配置？
-- 如果未配置，是无法在cmd、Mac终端、Terminal中使用ndk-build命令的（会报错：找不到命令）

2、NDK环境是否配置正确？
-- 如果未配置正确是无法进行C/C++开发的，更不用说ndk-build编译了

3、C/C++功能是否实现？
-- 此次演示主要使用系统默认创建的native-lib.cpp文件，关于具体如何实现：后续文章再详细讲解
-- 注意：为了与CMake区分，咱们新建一个“jni”目录存放C/C++文件、配置文件吧

4、Android.mk是否创建并正确配置？ 
-- 该文件是ndk-build工具编译的基础，未配置或配置项错误，均会影响编译结果

5、gradle是否正确配置？(可选项，如果通过cmd、Mac终端、Terminal执行ndk-build，可忽略)
-- gradle配置也是ndk-build工具编译的基础，未配置或配置项错误，均会影响编译结果

6、Application.mk是否创建并正确配置？（可选项，一般配ABI、版本，这些项均可在gradle中配置）
-- 该文件也是ndk-build工具编译的基础，未配置或配置项错误，均会影响编译结果

除此之外，咱们还应该学习ndk-build的哪些重要知识？

1、ndk-build工具如何指定编译生成的库文件位置？
2、ndk-build工具如何指定生成不同CPU平台对应的库文件？

带着这些问题，咱们继续ndk-build之旅吧：

3.3.1、环境变量配置

介绍NDK-Build定义时，提到了其实它是NDK的脚本工具。那么，咱们还是先进NDK目录找一下吧，ndk-build工具的位置如下图：

如果我们希望任意情况下都能便捷的使用这种脚本工具，通常做法是配置其环境变量，否则我们在cmd、Mac终端、Terminal中执行 ndk-build 命令时，会报错：“未找到命令”

配置NDK的环境变量，也很简单，以Mac电脑举例（如果是Windows电脑，网上也有很多关于配置环境变量的文章，如果有需要可自行查下）：

1、打开命令终端，输入命令： open -e .bash_profile，打开bash_profile配置文件

2、写入如下内容（NDK_HOME指向 ndk-build 所在路径）：
export NDK_HOME=/Users/xc/SDK/android-sdk-macosx/ndk/20.1.5948944
export PATH=$PATH:$NDK_HOME

3、生效.bash_profile配置
source .bash_profile

当我们在cmd、Mac终端、Terminal中执行 ndk-build 命令时，如果出现下图所示内容，则代表配置成功了：

3.3.2、C/C++功能实现

咱们使用比较常用的一种ndk-build方式吧：ndk-build + Android.mk + gradle配置

项目中新建jni目录，拷贝一份CMake的代码实现吧：

1、新建jni目录
2、拷贝cpp/native-lib.cpp 至 jni目录下
3、重命名为haha.cpp （与CMake区分）
4、调整一下native实现方法的文本（与CMake运行效果区分）
5、新建Android.mk文件

接着，编写Android.mk文件内容：

#表示Android.mk所在目录
LOCAL_PATH := $(call my-dir)

#CLEAR_VARS变量指向特殊 GNU Makefile，用于清除部分LOCAL_变量
include $(CLEAR_VARS)

#模块名称
LOCAL_MODULE    := haha
#构建系统用于生成模块的源文件列表
LOCAL_SRC_FILES := haha.cpp

#BUILD_SHARED_LIBRARY 表示.so动态库
#BUILD_STATIC_LIBRARY 表示.a静态库
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

配置gradle：

apply plugin: 'com.android.application'
android {
    compileSdkVersion 28
    defaultConfig {
        applicationId "com.aaa.testnative"
        minSdkVersion 16
        targetSdkVersion 28
        versionCode 1
        versionName "1.0"
        testInstrumentationRunner "android.support.test.runner.AndroidJUnitRunner"

        //定义ndkBuild默认配置属性
        externalNativeBuild {
            ndkBuild {
                cppFlags ""
            }
        }
    }
   
    //定义ndkBuild对应的Android.mk路径（重要）
    externalNativeBuild {
        ndkBuild{
            path "src/main/jni/Android.mk"
        }
    }
}

dependencies {
    implementation fileTree(dir: 'libs', include: ['*.jar'])
    implementation 'com.android.support:appcompat-v7:28.0.0'
    implementation 'com.android.support.constraint:constraint-layout:1.1.3'
    testImplementation 'junit:junit:4.12'
    androidTestImplementation 'com.android.support.test:runner:1.0.2'
    androidTestImplementation 'com.android.support.test.espresso:espresso-core:3.0.2'
}

现在，native代码、ndk-build配置都完成了，咱们运行看一下效果吧，如下图：

3.3.4、如何指定库文件的输出目录？

通常，可在Android.mk文件中配置NDK_APP_DST_DIR
指定源目录与输出目录（与CMake类似）

#表示Android.mk所在目录
LOCAL_PATH := $(call my-dir)

#设置库文件的输入目录
#输出目录 ../jniLibs/
#源目录 $(TARGET_ARCH_ABI)
NDK_APP_DST_DIR=../jniLibs/$(TARGET_ARCH_ABI)

#CLEAR_VARS变量指向特殊 GNU Makefile，用于清除部分LOCAL_变量
include $(CLEAR_VARS)

#模块名称
LOCAL_MODULE    := haha
#构建系统用于生成模块的源文件列表
LOCAL_SRC_FILES := haha.cpp

#BUILD_SHARED_LIBRARY 表示.so动态库
#BUILD_STATIC_LIBRARY 表示.a静态库
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)
3.3.5、如何生成指定CPU平台对应的库文件呢？

可在gradle中配置abiFilters（与Cmake类似）

externalNativeBuild {
            ndkBuild {
                cppFlags ""
                abiFilters "arm64-v8a"
            }
        }
externalNativeBuild {
            ndkBuild {
                cppFlags ""
            }
        }
  ndk {
            abiFilters "arm64-v8a"
        }
3.3.6、如何在Terminal中直接通过ndk-build命令构建库文件呢？

除了执行AndroidStudio的build命令，基于gradle配置 + Android.mk编译生成库文件，我们还可以在cmd、Mac 终端、Terminal中直接通过ndk-build命令构建库文件，此处以Terminal为例进行演示吧：

先进入包含Android.mk文件的jni目录（Android Studio中可直接选中jni目录并拖拽到Terminal中，会自动跳转到该目录），再执行ndk-build命令，如下图：

同样，编译也成功了，如下图：

因是直接在Terminal中执行了ndk-build命令，所以只会根据Android.mk进行编译（不包含gradle配置内容，也就不会执行abiFilters过滤），生成了所有默认CPU平台的so库文件。

ndk-build命令其实也可以配上一些参数使用，此处就不再详解了。日常开发时，还是建议选择CMake作为Native编译工具，因为是安卓主推的，而且更简单一些。

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