導(dǎo)讀

為了在Android OS系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用程序，Google提供了兩種開發(fā)包：SDK和NDK。你可以從Google官方查閱到有許多關(guān)于SDK 的優(yōu)秀的書籍、文章作為參考，但Google沒有提供足夠的NDK資料。在現(xiàn)有的書籍中，我認(rèn)為Cinar O.寫于2012年 的”Pro Android C++ with the NDK”值得一讀。

本文旨在幫助那些缺乏Android NDK經(jīng)驗但又想擴(kuò)充這方面知識的人們。我所關(guān)注的是JNI（本地編程接口，簡稱JNI）。本文分上下兩篇，在上篇中，會從JNI為接口開始講起；下篇會進(jìn)行回顧，并給出帶兩個文件讀寫功能的實例。

什么是 Android NDK？

Android NDK（Native Development Kit ）是一套工具集合，允許你用像C/C++語言那樣實現(xiàn)應(yīng)用程序的一部分。

何時使用NDK？

Google僅在極少數(shù)情況下建議使用NDK，有如下使用場景：

• 必須提高性能（例如，對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行排序）。
• 使用第三方庫。舉例說明：許多第三方庫由C/C++語言編寫，而Android應(yīng)用程序需要使用現(xiàn)有的第三方庫，如Ffmpeg、OpenCV這樣的庫。
• 底層程序設(shè)計（例如，應(yīng)用程序不依賴Dalvik Java虛擬機(jī)）。

什么是JNI？

JNI是一種在Java虛擬機(jī)控制下執(zhí)行代碼的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。代碼被編寫成匯編程序或者C/C++程序，并組裝為動態(tài)庫。也就允許了非靜態(tài)綁定用法。這提供了一個在Java平臺上調(diào)用C/C++的一種途徑，反之亦然。

JNI的優(yōu)勢

與其他類似接口（Netscape Java運(yùn)行接口、Microsoft的原始本地接口、COM/Java接口）相比，JNI主要的競爭優(yōu)勢在于：它在設(shè)計之初就確保了二進(jìn)制的兼容 性，JNI編寫的應(yīng)用程序兼容性以及在某些具體平臺上的Java虛擬機(jī)兼容性（當(dāng)談及JNI，這里并不特別針對Dalvik；JNI由Oracle開發(fā)， 適用于所有Java虛擬機(jī)）。這就是為什么C/C++編譯后的代碼無論在任何平臺上都能執(zhí)行。不過，一些早期版本并不支持二進(jìn)制兼容。

二進(jìn)制兼容性是一種程序兼容性類型，允許一個程序在不改變其可執(zhí)行文件的條件下在不同的編譯環(huán)境中工作。

JNI組織結(jié)構(gòu)

這張JNI函數(shù)表的組成就像C++的虛函數(shù)表。虛擬機(jī)可以運(yùn)行多張函數(shù)表，舉例來說，一張調(diào)試函數(shù)表，另一張是調(diào)用函數(shù)表。JNI接口指針僅在當(dāng)前線程中起作用。這意味著指針不能從一個線程進(jìn)入另一個線程。然而，可以在不同的線程中調(diào)用本地方法。

示例代碼：

jdouble Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2 (JNIEnv *env, jobject obj, jint i, jstring s) 
{ 
     const char *str = (*env)->GetStringUTFChars(env, s, 0); 
     (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, s, str); 
     return 10; 
} 

• *env — 一個接口指針。
• obj — 在本地方法中聲明的對象引用。
• i和s — 用于傳遞的參數(shù)。

原始類型（Primitive Type）在虛擬機(jī)和本機(jī)代碼進(jìn)行拷貝，對象之間使用引用進(jìn)行傳遞。VM（虛擬機(jī)）要追蹤所有傳遞給本地代碼的對象引用。GC無法釋放所有傳遞給本地代碼的對象引用。與此同時，本機(jī)代碼應(yīng)該通知VM不需要的對象引用。

局部引用和全局引用

JNI定義了三種引用類型：局部引用、全局引用和全局弱引用。局部引用在方法完成之前是有效的。所有通過JNI函數(shù)返回的Java對象都是本地引 用。程序員希望VM會清空所有的局部引用，然而局部引用僅在其創(chuàng)建的線程里可用。如果有必要，局部引用可以通過接口中的DeleteLocalRef JNI方法立即釋放：

jclass clazz; 
clazz = (*env)->FindClass(env, "java/lang/String"); 
... 
(*env)->DeleteLocalRef(env, clazz) 

全局引用在完全釋放之前都是有效的。要創(chuàng)建一個全局引用，需要調(diào)用NewGlobalRef方法。如果全局引用并不是必須的，可以通過DeleteGlobalRef方法刪除：

jclass localClazz; 
jclass globalClazz; 
... 
localClazz = (*env)->FindClass(env, "java/lang/String"); 
globalClazz = (*env)->NewGlobalRef(env, localClazz); 
... 
(*env)->DeleteLocalRef(env, localClazz); 

錯誤

JNI不會檢查NullPointerException、IllegalArgumentException這樣的錯誤，原因是：

• 導(dǎo)致性能下降。
• 在絕大多數(shù)C的庫函數(shù)中，很難避免錯誤發(fā)生。

JNI允許用戶使用Java異常處理。大部分JNI方法會返回錯誤代碼但本身并不會報出異常。因此，很有必要在代碼本身進(jìn)行處理，將異常拋給Java。在JNI內(nèi)部，首先會檢查調(diào)用函數(shù)返回的錯誤代碼，之后會調(diào)用ExpectOccurred()返回一個錯誤對象。

jthrowable ExceptionOccurred(JNIEnv *env); 

例如：一些操作數(shù)組的JNI函數(shù)不會報錯，因此可以調(diào)用ArrayIndexOutofBoundsException或ArrayStoreExpection方法報告異常。

JNI原始類型

JNI有自己的原始數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)引用類型。

JNI引用類型

改進(jìn)的UTF-8編碼

JNI使用改進(jìn)的UTF-8字符串來表示不同的字符類型。Java使用UTF-16編碼。UTF-8編碼主要使用于C語言，因為它的編碼用\u000表示為0xc0，而不是通常的0×00。非空ASCII字符改進(jìn)后的字符串編碼中可以用一個字節(jié)表示。

#p#

JNI函數(shù)：

JNI接口不僅有自己的數(shù)據(jù)集（dataset）也有自己的函數(shù)?；仡欉@些數(shù)據(jù)集和函數(shù)需要花費(fèi)我們很多時間?？梢詮墓俜轿臋n中找到更多信息：

http://docs.oracle.com/javase/6/docs/technotes/guides/jni/spec/functions.html

JNI函數(shù)使用示例

下面會通過一個簡短的示例確保你對這些資料所講的內(nèi)容有了正確的理解：

#include <jni.h> 
    ... 
JavaVM *jvm; 
JNIEnv *env; 
JavaVMInitArgs vm_args; 
JavaVMOption* options = new JavaVMOption[1]; 
options[0].optionString = "-Djava.class.path=/usr/lib/java"; 
vm_args.version = JNI_VERSION_1_6; 
vm_args.nOptions = 1; 
vm_args.options = options; 
vm_args.ignoreUnrecognized = false; 
JNI_CreateJavaVM(&jvm, &env, &vm_args); 
delete options; 
jclass cls = env->FindClass("Main"); 
jmethodID mid = env->GetStaticMethodID(cls, "test", "(I)V"); 
env->CallStaticVoidMethod(cls, mid, 100); 
jvm->DestroyJavaVM(); 

讓我們來逐個分析字符串：

• JavaVM — 提供了一個接口，可以調(diào)用函數(shù)創(chuàng)建、刪除Java虛擬機(jī)。
• JNIEnv — 確保了大多數(shù)的JNI函數(shù)。
• JavaVMlnitArgs —  Java虛擬機(jī)參數(shù)。
• JavaVMOption — Java虛擬機(jī)選項。

JNI的_CreateJavaVM()方法初始化Java虛擬機(jī)并向JNI接口返回一個指針。

JNI_DestroyJavaVM()方法可以載入創(chuàng)建好的Java虛擬機(jī)。

線程

內(nèi)核負(fù)責(zé)管理所有在Linux上運(yùn)行的線程；線程通過AttachCurrentThread和AttachCurrentThreadAsDaemon函數(shù)附加到Java虛擬機(jī)。如果線程沒有被添加成功，則不能訪問JNIEnv。 Android系統(tǒng)不能停止JNI創(chuàng)建的線程，即使GC（Garbage Collection）在運(yùn)行釋放內(nèi)存時也不行。直到調(diào)用DetachCurrentThread方法，該線程才會從Java虛擬機(jī)脫離。

***步

你的項目結(jié)構(gòu)應(yīng)該如圖3所示：

在圖3中，所有本地代碼都存儲到一個jni的文件夾。在新建一個工程后，Libs文件夾會被分為四個子文件夾。這意味著一個子目錄對應(yīng)一種處理器架構(gòu)，庫的數(shù)量取決于處理器架構(gòu)的數(shù)量。

要創(chuàng)建一個本地項目和一個Android項目可以參照以下面的步驟：

• 創(chuàng)建一個jni文件夾 — 包含本地代碼的項目源代碼根目錄。
• 創(chuàng)建一個Android.mk文件用來構(gòu)建項目。
• 創(chuàng)建一個Application.mk文件用來存儲編譯參數(shù)。雖然這不是必須的配置，但是推薦你這么做。這樣會使得編譯設(shè)置更加靈活。
• 創(chuàng)建一個ndk-build文件以此來顯示編譯過程（同樣這一步也不是必須的）。

Android.mk

就像前面提到的，Android.mk是編譯本地項目的makefile。Android.mk把代碼按照模塊進(jìn)行了劃分，把靜態(tài)庫（static library）拷貝到項目的libs文件夾，生成共享庫（shared library）和獨(dú)立的可執(zhí)行文件。

最精簡的配置示例：

LOCAL_PATH := $(call my-dir) 
include $(CLEAR_VARS) 
LOCAL_MODULE    := NDKBegining 
LOCAL_SRC_FILES := ndkBegining.c 
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY) 

讓我們來仔細(xì)看看：

• LOCAL_PATH:-$(call my-dir)  — 調(diào)用函數(shù)宏my-dir返回當(dāng)前文件所在路徑。
• include $(CLEAR_VARS) — 清除所有LOCAL_PATH以外的變量。這是必須的步驟，考慮到所有編譯控制文件都位于同一個GNU MAKE執(zhí)行環(huán)境中，所有變量都是全局的。
• LOCAL_MODULE — 輸出模塊名稱。在上述例子中，輸出模塊叫做NDKBegining。但是在生成以后，會在libs文件夾中創(chuàng)建libNDKbegining庫。同 時，Android系統(tǒng)會為其添加一個前綴名lib，例如一個被命名為”foo”的共享庫模塊，將會生成”libfoo.so”文件。 但是在Java代 碼中使用庫時應(yīng)該忽略前綴名（也就是說，名稱應(yīng)該和makefile一樣）。
• LOCAL_SRC_FILE — 列出編譯所需要的源文件。
• include $(BUILD_SHARED_LIBARY) — 輸出模塊的類型。

你可以在Android.mk文件中設(shè)置自定義變量；但是必須遵守語法命名規(guī)則：LOCAL_、PRIVATE_、NDK_、APP_、my-dir。Google建議自定義示例前綴使用MY_，例如：

MY_SOURCE := NDKBegining.c

這樣就調(diào)用了一個變量$(MY_SOURCE)。變量同樣也可以被連接起來，例如：

LOCAL_SRC_FILES += $(MY_SOURCE)

Application.mk

這個makefile中定義了好幾種變量讓編譯更加靈活：

• APP_OPTM — 這個變量是可選的，用于指定程序是“release”還是“debug”。在構(gòu)建應(yīng)用程序模塊時，該變量用來優(yōu)化構(gòu)建過程。你可以在調(diào)試中指定“release”，不過“debug”支持的配置選項更多。
• APP_BUILD_SCRI為Android.mk定義了另一條路徑。
• APP_ABI — 最重要的變量之一。它指定了編譯模塊時使用的目標(biāo)處理器架構(gòu)。默認(rèn)情況下，APP_ABI會設(shè)置為“armeabi”，對應(yīng)于ARMv5TE架構(gòu)。例如， 如果要支持 ARMv7，就需要設(shè)置為“armeabi-v7a”。對于IA-32-x86和MIPS-mips這樣支持多體系架構(gòu)的系統(tǒng)，應(yīng)該把 APP_ABI設(shè)置為“armeabi armeabi-v7a x86 mips”。在NDK修訂版本7或更高的版本中，可以簡單的設(shè)置APP_ABI := “all rather enumerating all the architectures”。
• APP_PLATFORM — 為目標(biāo)平臺名稱；
• APP_STL — Android提供了一個最精簡的libstdc c++運(yùn)行庫，因此開發(fā)人員使用的c++功能是非常有限的。然而使用APP_STL變量就可以使這些庫支持?jǐn)U展功能。
• NDK_TOOLCHAIN_VERSION-GCC — 選擇的GCC編譯器版本（默認(rèn)情況下設(shè)置為4.6）。

NDK-BUILDS

NDK-build是一個GNU Make的包裝容器。在NDK 4以后，ndk-build支持以下參數(shù)：

• clean — 清除所有已生成的二進(jìn)制文件。
• NDK_DEBUG=1 — 生成可調(diào)式的代碼。
• NDK_LOG=1 — 顯示日志信息（用于調(diào)試）。
• NDK_HOST_32BIT=1 — 使Android系統(tǒng)支持64位版本（例如，NDK_PATH\toolchains\mipsel-linux-android-4.8\prebuilt\windows-x86_64，等等）。
• NDK_APPLICATION_MK=<file> — 指定Application.mk路徑。

在 NDK v5中，引入了NDK_DEBUG。當(dāng)NDK_DEBUG設(shè)置為“1”時，便會生成可調(diào)試版本。如果沒有設(shè)置NDK_DEBUG，ndk-build會默 認(rèn)驗證是否有在AndroidMainfest.xml文件中設(shè)置 android:debuggable=“true” 屬性。如果你使用的是NDK v8以后的版本，Google不建議你在AndoirdMainfest.xml文件中使用 android:debuggable 屬性（當(dāng)你使用“ant debug”或ADT插件生成調(diào)試版本時，會自動添加“NDK_DEBUG=1”）。

默認(rèn)情況下，設(shè)置了支持64位版本。你也可以通過設(shè)置“NDK_HOST_32BIT=1”強(qiáng)制使用一個32位的工具鏈來使用32位應(yīng)用程序。不過，谷歌仍建議使用64位的應(yīng)用程序來提升大型程序的性能。

如何建立一個項目？

這 是個令人頭疼的步驟。你要安裝CDT插件并下載cygwin或mingw編譯器和Android NDK，在Eclipse設(shè)置里配置這些東西，但***還 是不能運(yùn)行。我***次開始使用Android NDK時，配置這些東西花了我3天時間。***發(fā)現(xiàn)問題出在Cygwin編譯器身上：應(yīng)該為項目文件夾設(shè)置讀、寫、可執(zhí)行的所有權(quán)限。

現(xiàn)在可就簡單多咯！只需要照著這個鏈接到網(wǎng)址：http://developer.android.com/sdk/index.html 下載ADT包，這里面有開始編譯環(huán)節(jié)需要用到的所有東西。

從Java代碼中調(diào)用本地方法

要從Java中調(diào)用本地代碼，首先你要在Java類中定義本地方法。例如：

native String nativeGetStringFromFile(String path) throws IOException; 
native void nativeWriteByteArrayToFile(String path, byte[] b) throws IOException 

你得在方法前使用“native”關(guān)鍵字。，這樣編譯器就知道這是JNI的入口點(diǎn)。這些方法會在C/C++文件中實現(xiàn)。Google建議用 “native+x”這樣的命名方式，“x”代表著方法的實際名稱。還有，在實現(xiàn)這些方法前你還得手動生成一個頭文件。你可以手動執(zhí)行此操作或者使用 JDK的 javah工具生成頭文件。然后讓我們將進(jìn)一步探討如何不用控制臺，直接使用標(biāo)準(zhǔn)的Eclipse開發(fā)環(huán)境：

• 打開Eclipse，選擇Run -> External-tool-External -> External tools configurations。
• 新建配置。
• 指定javah.exe在jdk里的絕對路徑（例如，C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.6.0_35\bin\javah.exe）。
• 在工作目錄中指定bin/class目錄的路徑（例如，«${workspace_loc:/NDKBegin/bin/classes}»）。
• 填入如下參數(shù)：“-jni ${java_type_name}” （注意，輸入時不需要帶引號）。

現(xiàn)在你可以運(yùn)行了。你的頭文件應(yīng)該放在bin/classes目錄下。下一步，復(fù)制這些文件到本地工程的jni目錄。打開工程的配置菜單并選擇 Andorid Tools這一項 — 添加本地庫（Add Native Library）。這樣我們就可以使用jni.h頭文件中包含的函數(shù)了。在此之后，你還要創(chuàng)建一個.cpp的文件（有時候 Eclipse會默認(rèn)生成），并且方法實現(xiàn)已經(jīng)在頭文件中定義。

考慮到文章長度和可讀性，我并沒有加入簡單的代碼示例，所以你在這里找不到。如果需要，請訪問這個鏈接https://github.com/viacheslavtitov/NDKBegining。