Android NDK简介

 

作者：郑萌,华清远见嵌入式培训中心讲师。

Android NDK（Android Native Development Kit）是一系列的开发工具，允许程序开发人员在Android应用程序中嵌入C/C++语言编写的非托管代码。

Android NDK的版本是1.5，集成了交叉编译器，支持ARMv5TE处理器指令集、JNI接口和一些稳定的库文件。由于Android NDK仅支持Android SDK 1.5版本，因此1.0和1.1版本的应用程序不能够使用Android NDK。Android NDK提供一系列的说明文档、示例代码和开发工具，指导程序开发人员使用C/C++语言进行库文件开发，并提供便捷工具将库文件打包到apk文件中。

Android虚拟机允许应用程序源代码通过JNI调用在本地实现的源代码，简单的说，这就意味着：

●  应用程序将声明一个或多个用‘native’关键字的方法用来指明它们是通过本地代码实现的。例如：

代码清单11-1. native用法
         native byte[] loadFile(String filePath)

●  必须提供包含实现这些方法的共享库（就是.so），将共享库打包到你的应用程序包apk中，这些库文件必须根据标准的Unix约定来命名为 lib<something>.so，并且是需要包含一个标准的JNI的接口，例如，libFileLoader.so。

●  应用程序必须明确的装载这些库文件(.so文件)，比如，在程序的开始装载它，只需要简单的添加几句源代码：

代码清单11-2. 装载库文件
        static {
                System.loadLibrary(“FileLoader”);
        }

Android NDK对于Android SDK只是个组件，它可以帮我们生成的JNI兼容的共享库可以在大于Android1.5平台的ARM CPU上运行，将生成的共享库拷贝到合适的程序工程路径的位置上，以保证它们自动的添加到你的apk包中（并且签名的）。

而且，Android NDK还提供了

●  一组交叉编译链（编译器、链接器等）来生成可以在Linux，OS X和Windows(用Cygwin)运行的二进制文件；

●  一组与由Android平台提供的稳定的本地API列表的头文件，它们在docs/STABLE-APIS.html中有说明；

●  一个编译系统（build system）可以允许开发者写一个非常短的编译文件（build files）去描述哪个源代码需要编译，并且怎样编译。编译系统可以解决所有的toolchain/platform/CPU/ABI细节的问题。并且，较晚的NDK版本中还添加了更多的可以不用改变开发者的编译文件的情况下的toolchains、platforms、系统接口。

通过以上的叙述，我们知道Android NDK解决了核心模块使用托管语言开发执行效率低下的问题；允许程序开发人员直接使用C/C++源代码，极大的提高了Android应用程序开发的灵活性。

但同时Android NDK也存在着一些不足。

NDK并不是一个可以编写通用的源代码并且可以在Android设备上运行的方法，你的应用程序还是需要使用JAVA程序，适当的处理系统事件来避免“应用程序没有反应”的对话框或者处理Android应用程序的生命周期。注意：可以适当的在源代码中写一个复杂的应用程序，用于启动/停止一个小型的“应用程序包”。

NDK在Android平台仅仅提供了有限的本地API和库文件的支持的系统头文件，然而一个标准的Android系统镜像包括许多本地共享库，这些都应该被考虑在更新和发行版本的可以彻底改变的实现细节。如果Android系统库没有明确的被NDK明确的支持，然后应用程序不应该依赖于它提供的，或者打破了将来在各种设备上的无线系统更新，选定的系统库将逐渐被添加到稳定的NDK API中。

NDK编译环境

Android NDK编译环境支持Windows XP、Linux和MacOS，本章节仅介绍Windows系统的编译环境配置方法

Windows系统的编译环境配置方法：

1 下载Android NDK的安装包

在Google的官方网站下载Android NDK的安装包，下载地址是http://developer.android.com/sdk/ndk/index.html，打开下载页面后选择的下载文件为android-ndk-r6-windows.zip。

图11-1 android-ndk-r6-windows.zip

将下载的ZIP文件解压缩到用户的Android开发目录中，作者将Android NDK解压到E:\Android目录中，ZIP文件中包含一层目录，因此Android NDK的最终路径为E:\Android\android-ndk。

2 下载并安装Cygwin

Android NDK目前还不支持在Windows系统下直接进行交叉编译，因此需要在Windows系统下安装一个Linux的模拟器环境Cygwin，完成C/C++代码的交叉编译工作。

Cygwin 是 Windows 上类似于 Linux 的环境。它包括一个提供 UNIX 功能性基本子集的 DLL 以及在这之上的一组工具（所以在linux下不需要使用）。

Android NDK要求GNU Make的版本高于或等于3.18，之前的版本并没有经过测试，因此需要安装较新版本的Cygwin。Cygwin的最新版本可以到官方网站http://www.cygwin.com下载，也可以到中文的映像网站http://www.cygwin.cn下载。

在Cygwin的安装过程中，需要将Devel下的gcc和make的相关选项选上，否则Cygwin将无法编译C/C++代码文件。

3 配置Cygwin的NDK开发环境

在缺省情况下，Cygwin安装在C盘的根目录下，修改C:\cygwin\home\username\.bash_profile文件，username会根据用户使用的用户名称而变化。

在.bash_profile文件的结尾处添加如下代码

代码清单11-3. .bash_profile
        ANDROID_NDK_ROOT=/cygdrive/e/android/android-ndk
        export ANDROID_NDK_ROOT

上面的代码说明了Android NDK所在的目录，目录是e盘android/android-ndk。

如果Android NDK安装在c盘的TestAndroid/android-ndk中，则上面的代码则应该为

代码清单11-4. .bash_profile
        ANDROID_NDK_ROOT=/cygdrive/c/TestAndroid/android-ndk
        export ANDROID_NDK_ROOT

4 测试开发环境是否可以正常工作

首先启动Cygwin，然后切换到<Android NDK>/build目录中，运行host-setup.sh文件。

如果运行结果如下图，说明Android NDK的开发环境已经可以正常工作了。

图11-2 命令行运行host-setup.sh

至此，Android NDK的编译环境已经安装配置完毕。下面我们来了解一下Android NDK的目录结构。

在android-ndk目录中，包含5个子目录和2个文件：其中，

●  apps目录是Android工程的保存目录，子目录hello-jni和tow-libs是NDK自带的两个示例目录；

●  build目录保存了交叉编译工具、编译脚本和配置文件；

●  docs目录是帮助文档的保存目录；

docs目录中的帮助文件说明：

表11-1. docs目录中的帮助文件说明表

●  out目录是交叉编译的输出目录，保存输出的so文件；

●  sources目录是C/C++源代码文件的保存目录，其下的hello-jni和tow-libs子目录，分别保存了NDK自带示例所需要的C/C++源代码文件；

●  GNUmakfile文件和README.TXT文件分别是make工具的配置文件和NDK的说明文件。

Android NDK自带两个示例hello-jni和tow-libs。hello-jni是一个非常简单的例子，非托管代码实现了一个可以返回字符串的共享库，Android工程调用这个共享库获取字符串，然后显示在用户界面上；tow-libs是稍微复杂一些的例子，使用非托管代码实现了一个数学运算的共享库，Android工程动态加载这个共享库，并调用其中的函数，函数功能是通过使用静态库实现的。

NDK开发示例

在进行NDK开发时，一般需要同时建立Android工程和C/C++工程，然后使用NDK编译C/C++工程，形成可以被调用的共享库，最后共享库文件会被拷贝到Android工程中，并被直接打包到apk文件中。

下面我们通过AndroidNdkDemo示例说明如何进行Android NDK开发。

AndroidNdkDemo是一个进行加法运算的示例，程序会随机产生两个整数，然后调用C语言开发的共享库对这两个整数进行加法运算，最后将运算结果显示在用户界面上。AndroidNdkDemo示例的界面如下图所示：

图11-3 AndroidNdkDemo示例的界面

进行Android NDK开发一般要经过如下的步骤：

1 建立Application.mk文件

在apps目录中建立应用程序目录，AndroidNdkDemo示例的应用程序目录为ndk-demo；在ndk-demo目录中建立一个空目录project，这个目录以后会用来存放Android工程；在ndk-demo目录中建立一个名为Application.mk的文件，用来描述Android工程将调用的共享库。

在进行NDK开发时，在应用程序目录中一定要有Application.mk文件，用来声明Android工程需要调用的非托管模块（如静态库或共享库）。AndroidNdkDemo示例的Application.mk的代码如下：

代码清单11-5. Application.mk
        APP_PROJECT_PATH := $(call my-dir)/project
        APP_MODULES:= add-module

第1行的变量APP_PROJECT_PATH表示Android工程所在的目录，在生产共享库文件后，APK将自动将共享库文件拷贝到<app>\libs\armeabi目录中，本示例将共享库文件拷贝到apps\ndk-demo\project\libs\armeabi目录中；第2行代码中的变量APP_MODULES表示Android工程需要调用的非托管模块，如果存在多个非托管模块，使用空格进行分隔。本示例调用的非托管模块为add-module，对应在后面涉及的Android.mk文件。

Application.mk的变量说明：

表11-2. Application.mk的变量表

2 建立Android工程

在project目录中建立Android工程时，需要取消复选框“Use default location”，并指定预先建立的project文件夹作为工程文件夹。

图11-4 建立Android工程

在建立AndroidNdkDemo工程后，修改main.xml文件，添加一个id为display的TextView和一个id为add_btn的Button按钮。

程序中的生产随机数和调用的代码在AndroidNdkDemo.java文件中，下面是AndroidNdkDemo.java文件的核心代码：

代码清单11-6. AndroidNdkDemo.java核心代码：

public class AndroidNdkDemo extends Activity {
                @Override
                public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
                        super.onCreate(savedInstanceState);
                        setContentView(R.layout.main);
                        final TextView displayLable = (TextView)findViewById(R.id.display);
                        Button btn = (Button)findViewById(R.id.add_btn);
                        btn.setOnClickListener(new View.OnClickListener(){
                                @Override
                                public void onClick(View v) {
                                        double randomDouble = Math.random();
                                        long x = Math.round(randomDouble*100);
                                        randomDouble = Math.random();
                                        long y = Math.round(randomDouble*100);

                                //System.loadLibrary("add-module");
                                long z = add(x, y);
                                String msg = x+" + " +y+" = "+z;
                                displayLable.setText(msg);
                                }
                        });
                }
                //public native long add(long x, long y);

                public long add(long x, long y){
                        return x+y;
                }
        }

上面的代码有一个NDK开发的小技巧，在开发C/C++的共享库前，可以使用具有相同和相近功能的Java函数进行替代。

在代码第17行本应该调用共享库的add()函数，但为了便于开发和调试，在代码第25行到第27行，使用Java代码开发了一个功能相同的add()函数，这样即使在没有完成C/C++的共享库开发前，也可以对这个Android工程进行界面部分的调试。

第16行和第23行注释掉的代码，就是在C/C++的共享库开发完毕后需要使用的代码，其中第16行是动态加载共享库的代码，加载的共享库名称为add-module；第23行用来声明共享库的函数，使用C/C++开发的共享库必须有同名的函数。在共享库开发完毕后，取消第16行和第23行代码的注释，并注释掉第25行到第27行代码，这样程序就可以正常调用共享库内的函数进行加法运算。

3 建立Android.mk文件

建立C/C++源代码文件前，首先需要在sources目录中建立模块目录，AndroidNdkDemo示例的模块目录为add-module，这个模块目录的名称与Application.mk文件中声明的模块名称相同。add-module目录中包含两个文件，Android.mk和add-module.c。

Android.mk是为NKD编译系统准备的脚本文件，用来描述模块需要编译C/C++文件的信息。通常NKD编译系统会搜寻$NDK/sources/*/目录中的所有Android.mk文件，但如果程序开发人员将Android.mk文件放置在下一级目录中，则需要在上一级目录中的Android.mk文件添加如下代码：

代码清单11-7. Android.mk
        include $(call all-subdir-makefiles)

下面来分析AndroidNdkDemo示例的add-module模块的Android.mk文件，Android.mk文件的代码如下：

代码清单11-8. Android.mk
         LOCAL_PATH := $(call my-dir)

        include $(CLEAR_VARS)

        LOCAL_MODULE := add-module
        LOCAL_SRC_FILES := add-module.c

        include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

每个Android.mk文件都必须以第1行代码开始，变量LOCAL_PATH用来定义需要编译的C/C++源代码的位置，my-dir由NKD编译系统提供，表示当前目录的位置。代码第3行的include $(CLEAR_VARS)表示清空所有以LOCAL_开始的变量，例如LOCAL_MODULE、LOCAL_SRC_FILES、LOCAL_STATIC_LIBRARIES等，但第1行定义的LOCAL_PATH不在清空的范围内。因为所有的脚本都将粘贴到同一个GNU Make的执行上下文中，而且所有变量都是全局变量，因此必须在每次使用前清空所有以前用过的变量。

第5行代码变量LOCAL_MODULE用来声明模块名称，模块名称必须唯一，而且中间不能够存在空格。NKD编译系统将会在模块名称前自动添加lib前缀，然后生产so文件。这里的模块名称为add-module，生产的共享库文件名为libadd-module.so。但需要注意的是，如果程序开发人员使用具有lib前缀的模块名称，NKD编译系统将不再添加前缀，例如模块名称为libsub，生产的共享库文件名为libsub.so。

第6行代码中的变量LOCAL_SRC_FILES表示编译模块所需要使用的C/C++文件列表，但不需要给出头文件的列表，因为NKD编译系统会自动计算依赖关系。add-module模块仅需要一个C文件，文件名为add-module.c。缺省情况下，结尾名为.c的文件是C语言源文件，结尾名为.cpp的文件是C++语言源文件。

第8行代码include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)表示NKD编译系统构建共享库，如果变量BUILD_SHARED_LIBRARY更改为BUILD_STATIC_LIBRARY，则表示需要NKD编译系统构建静态库。

4 建立C源代码文件

根据Android.mk文件的声明，add-module模块仅包含一个C源代码文件add-module.c。add-module.c文件的作用是实现两个整数加法运算功能，全部代码如下：

代码清单11-9. add-module.c
        #include <jni.h>

        jlong Java_edu_hrbeu_AndroidNdkDemo_AndroidNdkDemo_add( JNIEnv* env,jobject this, jlong x, jlong y )
        {
                return x+y;
        }

第1行代码引入的是JNI（Java Native Interface）的头文件；第3行代码是函数名称，jlong表示Java长型整数，Java_edu_hrbeu_AndroidNdkDemo_AndroidNdkDemo_add的构成为Java_<包名称>_<类>_<函数>，其中<函数>的名称和参数要与AndroidNdkDemo.java文件定义的函数一致，AndroidNdkDemo.java文件定义的函数为public native long add(long x, long y)；第5行代码用来返回加法运算结果。

5 编译共享库模块

首先启动cygwin，然后切换到Androd NDK的主目录下，键入如下的编译命令

代码清单11-10. 命令行
        make APP=ndk-demo

ndk-demo是apps目录下的应用程序目录名称。在指定应用程序（目录）名称后，NKD编译系统会首先找到目录中的Application.mk文件，根据Application.mk文件的信息，确定该Android共享需要使用add-module模块；然后在sources目录中搜索所有Android.mk文件，在找到与add-module模块匹配的Android.mk文件后，根据Android.mk文件提供的信息编译指定的C/C++源代码文件，形成共享库文件；最后将生产的共享库文件拷贝到Android工程的指定目录中。

下图是编译成功的提示信息

图11-5 编译成功提示信息

提示信息包括编译add-module模块所使用到的文件，生产so文件的文件名和so文件的安装位置。为了确认是否成功编译了模块，用户可以打开apps/ndk-demo/project/libs/armeabi目录，如果目录中存在libadd-module.so文件，则表示编译成功。

6 运行Android程序

在运行AndroidNdkDemo示例程序前，务必将AndroidNdkDemo.java文件中第16行和第23行的注释取消，并注释掉第25行到第27行代码。

NDK开发技巧

1. 在JNI中打印Logcat

首先我们需要在cpp文件中加入 #include <android/log.h> 这个头文件，NDK有关android自己的就给我们这个唯一的文件log.h，其他的需要我们自己hack diy来解决。

代码清单11-11. 在JNI打印Logcat
        jstring jlog; //从Java传来需要打印的字符
        jboolean isCopy;
        const char * szLog = (*env)->GetStringUTFChars(env, jlog, &isCopy); //将java的unicode字符转化为utf8字符
        __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN, “android123-cwj”, "from ndk = %s", szLog); //打印logcat
        (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, jlog, szLog); // 释放内存

上面这段比较简单，其中使用__android_log_print函数打印Logcat，第一个参数为log的level，在log.h头文件中定义了 ANDROID_LOG_UNKNOWN = 0、 ANDROID_LOG_DEFAULT, /* only for SetMinPriority() */ ANDROID_LOG_VERBOSE, ANDROID_LOG_DEBUG, ANDROID_LOG_INFO, ANDROID_LOG_WARN, ANDROID_LOG_ERROR, ANDROID_LOG_FATAL, ANDROID_LOG_SILENT等类型，第二个参数为tag标签，第三个为需要打印的字符。整个例子比较简单，但方便了很多调试。

2. Android NDK给我们提供了zlib库的支持，可以通过本地的方法解压缩zip文件。

3. 操作字符串

有关C语言运行库的一些方法，在string.h文件中描述的比较清楚，可以方便的操作字符串 ，比如

代码清单11-12. 操作字符串
        extern void* memccpy(void *, const void *, int, size_t);
        extern void* memchr(const void *, int, size_t);
         extern void* memrchr(const void *, int, size_t);
        extern int memcmp(const void *, const void *, size_t);
        extern void* memcpy(void *, const void *, size_t);
        extern void* memmove(void *, const void *, size_t);
        extern void* memset(void *, int, size_t);
        extern void* memmem(const void *, size_t, const void *, size_t);
        extern void memswap(void *, void *, size_t);

extern char* strchr(const char *, int);
        extern char* strrchr(const char *, int);

extern size_t strlen(const char *);
        extern int strcmp(const char *, const char *);
        extern char* strcpy(char *, const char *);
        extern char* strcat(char *, const char *);

extern int strcasecmp(const char *, const char *);
        extern int strncasecmp(const char *, const char *, size_t);
        extern char* strdup(const char *);

extern char* strstr(const char *, const char *);
        extern char* strcasestr(const char *haystack, const char *needle);
        extern char* strtok(char *, const char *);
        extern char* strtok_r(char *, const char *, char**);

extern char* strerror(int);
         extern int strerror_r(int errnum, char *buf, size_t n);

extern size_t strnlen(const char *, size_t);
        extern char* strncat(char *, const char *, size_t);
        extern char* strndup(const char *, size_t);
        extern int strncmp(const char *, const char *, size_t);
        extern char* strncpy(char *, const char *, size_t);

相信这些肯定比Java效率快上不少，至少有指针用，在处理字符串等方面效率可能是几百倍几千倍的提升。

4. NDK处理I/O

NDK在I/O处理上会更有效率，比如提供了Socket和File的本地读写，在socket.h文件中包含了标准Socket的各种方法，可以处理 TCP和UDP报文，这样和C++服务器的互通，通过NDK解决，不用再为Java的类型字节对齐以及编码而烦恼。

代码清单11-13. 处理I/O
        extern int memcmp(const void *, const void
                __socketcall int socket(int, int, int);
        __socketcall int bind(int, const struct sockaddr *, int);
        __socketcall int connect(int, const struct sockaddr *, socklen_t);
        __socketcall int listen(int, int);
        __socketcall int accept(int, struct sockaddr *, socklen_t *);
        __socketcall int getsockname(int, struct sockaddr *, socklen_t *);
        __socketcall int getpeername(int, struct sockaddr *, socklen_t *);
        __socketcall int socketpair(int, int, int, int *);
        __socketcall int shutdown(int, int);
        __socketcall int setsockopt(int, int, int, const void *, socklen_t);
        __socketcall int getsockopt(int, int, int, void *, socklen_t *);
        __socketcall int sendmsg(int, const struct msghdr *, unsigned int);
        __socketcall int recvmsg(int, struct msghdr *, unsigned int);

extern ssize_t send(int, const void *, size_t, unsigned int);
extern ssize_t recv(int, void *, size_t, unsigned int);

__socketcall ssize_t sendto(int, const void *, size_t, int, const struct sockaddr *, socklen_t);
__socketcall ssize_t recvfrom(int, void *, size_t, unsigned int, const struct sockaddr *, socklen_t *);

5. 最新版本NDK支持最新的OpenGL ES版本

对于我们开发最方便的还要属OpenGL ES了，在NDK中所有GL的函数，可以在gl.h和glext.h中查找到，最新版本NDK支持最新的OpenGL ES版本，可以方便移植iPhone上的3D游戏了。Android123已经成功将Cube例子用NDK改造运行，确实比Java来的更方便和亲切。

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