本篇文章旨在简介 Android 中 NDK 是什么以及重点讲解最新 Android Studio 编译工具 CMake 的使用

1 NDK 简介

在介绍 NDK 之前还是首推 Android 官方 NDK 文档。传送门

官方文档分别从以下几个方面介绍了 NDK

NDK 的基础概念
如何编译 NDK 项目
ABI 是什么以及不同 CPU 指令集支持哪些 ABI
如何使用您自己及其他预建的库

本节将会对文档进行总结和补充。所以建议先浏览一遍文档，或者看完本篇文章再回头看一遍文档。

1.1 NDK 基础概念

首先先用简单的话分别解释下 JNI、NDK，以及分别和 Android 开发、c/c++ 开发的配合。在解释过程中会对 Android.mk、Application.mk、ndk-build、CMake、CMakeList 这些常见名词进行扫盲。

JNI（Java Native Interface）：Java本地接口。是为了方便Java调用c、c++等本地代码所封装的一层接口（也是一个标准）。大家都知道，Java的优点是跨平台，但是作为优点的同时，其在本地交互的时候就编程了缺点。Java的跨平台特性导致其本地交互的能力不够强大，一些和操作系统相关的特性Java无法完成，于是Java提供了jni专门用于和本地代码交互，这样就增强了Java语言的本地交互能力。上述部分文字摘自任玉刚的 Java JNI 介绍

NDK（Native Development Kit） : 原生开发工具包，即帮助开发原生代码的一系列工具，包括但不限于编译工具、一些公共库、开发IDE等。

NDK 工具包中提供了完整的一套将 c/c++ 代码编译成静态/动态库的工具，而 Android.mk 和 Application.mk 你可以认为是描述编译参数和一些配置的文件。比如指定使用c++11还是c++14编译，会引用哪些共享库，并描述关系等，还会指定编译的 abi。只有有了这些 NDK 中的编译工具才能准确的编译 c/c++ 代码。

ndk-build 文件是 Android NDK r4 中引入的一个 shell 脚本。其用途是调用正确的 NDK 构建脚本。其实最终还是会去调用 NDK 自己的编译工具。

那 CMake 又是什么呢。脱离 Android 开发来看，c/c++ 的编译文件在不同平台是不一样的。Unix 下会使用 makefile 文件编译，Windows 下会使用 project 文件编译。而 CMake 则是一个跨平台的编译工具，它并不会直接编译出对象，而是根据自定义的语言规则（CMakeLists.txt）生成对应 makefile 或 project 文件，然后再调用底层的编译。

在Android Studio 2.2 之后，工具中增加了 CMake 的支持，你可以这么认为，在 Android Studio 2.2 之后你有2种选择来编译你写的 c/c++ 代码。一个是 ndk-build + Android.mk + Application.mk 组合，另一个是 CMake + CMakeLists.txt 组合。这2个组合与Android代码和c/c++代码无关，只是不同的构建脚本和构建命令。本篇文章主要会描述后者的组合。（也是Android现在主推的）

1.2 ABI 是什么

ABI（Application binary interface）应用程序二进制接口。不同的CPU 与指令集的每种组合都有定义的 ABI (应用程序二进制接口)，一段程序只有遵循这个接口规范才能在该 CPU 上运行，所以同样的程序代码为了兼容多个不同的CPU，需要为不同的 ABI 构建不同的库文件。当然对于CPU来说，不同的架构并不意味着一定互不兼容。

armeabi设备只兼容armeabi；
armeabi-v7a设备兼容armeabi-v7a、armeabi；
arm64-v8a设备兼容arm64-v8a、armeabi-v7a、armeabi；
X86设备兼容X86、armeabi；
X86_64设备兼容X86_64、X86、armeabi；
mips64设备兼容mips64、mips；
mips只兼容mips；

具体的兼容问题可以参见这篇文章。Android SO文件的兼容和适配

当我们开发 Android 应用的时候，由于 Java 代码运行在虚拟机上，所以我们从来没有关心过这方面的问题。但是当我们开发或者使用原生代码时就需要了解不同 ABI 以及为自己的程序选择接入不同 ABI 的库。（库越多，包越大，所以要有选择）

下面我们来看下一共有哪些 ABI 以及对应的指令集

2 CMake 的使用

这一节将重点介绍 CMake 的规则和使用，以及如何使用 CMake 编译自己及其他预建的库。

2.1 Hello world

我们通过一个Hello World项目来理解 CMake

首先创建一个新的包含原生代码的项目。在 New Project 时，勾选 Include C++ support

项目创建好以后我们可以看到和普通Android项目有以下4个不同。

main 下面增加了 cpp 目录，即放置 c/c++ 代码的地方
module-level 的 build.gradle 有修改
增加了 CMakeLists.txt 文件
多了一个 .externalNativeBuild 目录

build.gradle

android {
    ...
    defaultConfig {
        ...
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags "-frtti -fexceptions"
                arguments "-DANDROID_ARM_NEON=TRUE"
            }
        }
    }
    buildTypes {
        ...
    }
    externalNativeBuild {
        cmake {
            path "CMakeLists.txt"
        }
    }
}
...

由于 CMake 的命令集成在了 gradle - externalNativeBuild 中，所以在 gradle 中有2个地方配置 CMake。

defaultConfig外面的 externalNativeBuild - cmake，指明了 CMakeList.txt 的路径；
defaultConfig 里面的 externalNativeBuild - cmake，主要填写 CMake 的命令参数。即由 arguments 中的参数最后转化成一个可执行的 CMake 的命令，可以在 .externalNativeBuild/cmake/debug/{abi}/cmake_build_command.txt 中查到。如下

更多的可以填写的命令参数和含义可以参见Android NDK-CMake文档

CMakeLists.txt

CMakeLists.txt 中主要定义了哪些文件需要编译，以及和其他库的关系等。

看下新项目中的 CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

# 编译出一个动态库 native-lib，源文件只有 src/main/cpp/native-lib.cpp
add_library( # Sets the name of the library.
             native-lib
             # Sets the library as a shared library.
             SHARED
             # Provides a relative path to your source file(s).
             src/main/cpp/native-lib.cpp )

# 找到预编译库 log_lib 并link到我们的动态库 native-lib中
find_library( # Sets the name of the path variable.
              log-lib
              # Specifies the name of the NDK library that
              # you want CMake to locate.
              log )
target_link_libraries( # Specifies the target library.
                       native-lib
                       # Links the target library to the log library
                       # included in the NDK.
                       ${log-lib} )

这其实是一个最基本的 CMakeLists.txt ，其实 CMakeLists.txt 里面可以非常强大，比如自定义命令、查找文件、头文件包含、设置变量等等。建议结合 CMake 的官方文档使用。同时在这推荐一个中文翻译的简易的CMake手册

2.2 CMake 使用自己及其他预建的库

当你需要引入已有的静态库/动态库（FFMpeg）或者自己编译核心部分并提供出去时就需要考虑如何在 CMake 中使用自己及其他预建的库。

Android NDK 官网的使用现有库的文档中还是使用 ndk-build + Android.mk + Application.mk 组合的说明文档。（其实官方文档中大部分都是的，并没有使用 CMake）

幸运的是， Github上的官方示例里面有个项目 hello-libs 实现了如何创建出静态库/动态库，并引用它。现在我们把代码拉下来看下具体是如何实现的。

我们先看下Github上的README介绍：

app - 从 $project/distribution/ 中使用一个静态库和一个动态库
gen-libs - 生成一个动态库和一个静态库并复制到 $project/distribution/ 目录，你不需要再编译这个库，二进制文件已经保存在了项目中。当然，如果有需要你也可以编译自己的源码，只需要去掉 setting.gradle 和 app/build.gradle 中的注释，然后执行一次，接着注释回去，防止在 build 的过程中不受影响。

我们采用自底向上的方式分析模块，先看下 `gen-libs` 模块。

gen-libs/build.gradle

android {
    ...
    defaultConfig {
        ...
        externalNativeBuild {
            cmake {
                arguments '-DANDROID_PLATFORM=android-9',
                          '-DANDROID_TOOLCHAIN=clang'
                // explicitly build libs
                targets 'gmath', 'gperf'
            }
        }
    }
    ...
}
...

查询文档可以知道 arguments 中 -DANDROID_PLATFORM 代表编译的 android 平台，文档建议直接设置 minSdkVersion 就行了，所以这个参数可忽略。另一个参数 -DANDROID_TOOLCHAIN=clang，CMake 一共有2种编译工具链 - clang 和 gcc，gcc 已经废弃，clang 是默认的。

targets 'gmath', 'gperf' 代表编译哪些项目。（不填就是都编译）

cpp/CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

set(CMAKE_VERBOSE_MAKEFILE on)

set(lib_src_DIR ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR})

set(lib_build_DIR $ENV{HOME}/tmp)
file(MAKE_DIRECTORY ${lib_build_DIR})

add_subdirectory(${lib_src_DIR}/gmath ${lib_build_DIR}/gmath)
add_subdirectory(${lib_src_DIR}/gperf ${lib_build_DIR}/gperf)

外层的 CMakeLists 里面核心就是 add_subdirectory，查询CMake 官方文档可以知道这条命令的作用是为构建添加一个子路径。子路径中的 CMakeLists.txt 也会被执行。即会去分别执行 gmath 和 gperf 中的 CMakeLists.txt

cpp/gmath/CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

set(CMAKE_VERBOSE_MAKEFILE on)

add_library(gmath STATIC src/gmath.c)

# copy out the lib binary... need to leave the static lib around to pass gradle check
set(distribution_DIR ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/../../../../../distribution)
set_target_properties(gmath
                      PROPERTIES
                      ARCHIVE_OUTPUT_DIRECTORY
                      "${distribution_DIR}/gmath/lib/${ANDROID_ABI}")

# copy out lib header file...
add_custom_command(TARGET gmath POST_BUILD
                   COMMAND "${CMAKE_COMMAND}" -E
                   copy "${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/src/gmath.h"
                   "${distribution_DIR}/gmath/include/gmath.h"
#                   **** the following 2 lines are for potential future debug purpose ****
#                   COMMAND "${CMAKE_COMMAND}" -E
#                   remove_directory "${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}"
                   COMMENT "Copying gmath to output directory")

这个是其中一个静态库的 CMakeLists.txt，另一个跟他很像。只是把 STATIC 改成了 SHARED （动态库）。

add_library(gmath STATIC src/gmath.c) 之前用到过，编译出一个静态库，源文件是 src/gmath.c

set_target_properties 命令的意思是设置目标的一些属性来改变它们构建的方式。这个命令中设置了 gmath 的 ARCHIVE_OUTPUT_DIRECTORY 属性。也就是改变了输出路径。

add_custom_command 命令是自定义命令。命令中把头文件也复制到了 distribution_DIR 中。

以上就是一个静态库/动态库的编译过程。总结以下3点

编译静态库/动态库
修改输出路径
复制暴露的头文件

接着，我们看下 `app` 模块是如何使用预建好的静态库/动态库的。

app/src/main/cpp/CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

# configure import libs
set(distribution_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/../../../../distribution)

# 创建一个静态库 lib_gmath 直接引用libgmath.a
add_library(lib_gmath STATIC IMPORTED)
set_target_properties(lib_gmath PROPERTIES IMPORTED_LOCATION
    ${distribution_DIR}/gmath/lib/${ANDROID_ABI}/libgmath.a)

# 创建一个动态库 lib_gperf 直接引用libgperf.so
add_library(lib_gperf SHARED IMPORTED)
set_target_properties(lib_gperf PROPERTIES IMPORTED_LOCATION
    ${distribution_DIR}/gperf/lib/${ANDROID_ABI}/libgperf.so)

# build application's shared lib
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -std=gnu++11")

# 创建库 hello-libs
add_library(hello-libs SHARED
            hello-libs.cpp)

# 加入头文件
target_include_directories(hello-libs PRIVATE
                           ${distribution_DIR}/gmath/include
                           ${distribution_DIR}/gperf/include)

# hello-libs库链接上 lib_gmath 和 lib_gperf
target_link_libraries(hello-libs
                      android
                      lib_gmath
                      lib_gperf
                      log)

我将解释放在了注释中。可以看下基本上分成了4个步骤引入：

分别创建静态库/动态库，直接引用已经有的 .a 文件或者 .so 文件
创建自己应用的库 hello-libs
加入之前暴露头文件
链接上静态库/动态库

还是很好理解的。编辑好并 Sync 后，你就可以发现 hello-libs 中的c/c++代码可以引用暴露的头文件调用内部方法了。

3 资料文献

首推 Android NDK 官方文档，虽然很多都不完整，但是绝对是必须看一遍的东西。

当初次接触 NDK 开发又觉得新建的 Hello World 项目过于简单时。建议把 googlesamples - android-ndk 项目拉下来。里面有多个实例参考，比官方文档完整很多。

当你发现示例里的一些NDK配置满足不了你的需求后，你就需要到 CMake 官方文档去查询完整的支持的函数，同时这里也提供一个中文翻译的简易的CMake手册。

以上文档资料仅为了解决 NDK 开发过程中编译配置问题，具体 c/c++ 的逻辑编写、jni等不在此范畴。

彩蛋

文末献上一组彩蛋，将 CMake 或者 NDK 开发过程中遇到的坑和小技巧以 Q&A 的方式列出。持续更新

Q1：怎么指定 C++标准？

A：在 build_gradle 中，配置 cppFlags -std

externalNativeBuild {
  cmake {
    cppFlags "-frtti -fexceptions -std=c++14"
    arguments '-DANDROID_STL=c++_shared'
  }
}

Q2：add_library 如何编译一个目录中所有源文件？

A：使用 aux_source_directory 方法将路径列表全部放到一个变量中。

# 查找所有源码 并拼接到路径列表
aux_source_directory(${CMAKE_HOME_DIRECTORY}/src/api SRC_LIST)
aux_source_directory(${CMAKE_HOME_DIRECTORY}/src/core CORE_SRC_LIST)
list(APPEND SRC_LIST ${CORE_SRC_LIST})
add_library(native-lib SHARED ${SRC_LIST})

Q3：怎么调试 CMakeLists.txt 中的代码？

A：使用 message 方法

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
message(STATUS "execute CMakeLists")
...

然后运行后在 .externalNativeBuild/cmake/debug/{abi}/cmake_build_output.txt 中查看 log。

Q4：什么时候 CMakeLists.txt 里面会执行？

A：测试了下，好像在 sync 的时候会执行。执行一次后会生成 makefile 的文件缓存之类的东西放在 externalNativeBuild 中。所以如果 CMakeLists.txt 中没有修改的话再次同步好像是不会重新执行的。（或者删除 .externalNativeBuild 目录）

真正编译的时候好像只是读取.externalNativeBuild 目录中已经解析好的 makefile 去编译。不会再去执行 CMakeLists.txt