Android NDK开发扫盲及最新CMake的编译使用

Tsy远
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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

  1. NDK 的基础概念
  2. 如何编译 NDK 项目
  3. ABI 是什么以及不同 CPU 指令集支持哪些 ABI
  4. 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

ABI
ABI

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

New Project
New Project

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。

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

Difference
Difference

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

cmake command
cmake command

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。

hello-libs
hello-libs

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

  1. 编译静态库/动态库
  2. 修改输出路径
  3. 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：

  1. 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
  2. 创建自己应用的库 hello-libs
  3. 加入之前暴露头文件
  4. 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。

Google Samples
Google Samples

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

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