Android NDK开发基础与实践教程

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简介：NDK是Android开发中用于实现高性能和硬件交互的工具，结合JNI，它允许在Android应用中调用C/C++库。本教程通过一个基础的JNI和NDK实践项目，介绍了如何使用C/C++代码实现JNI函数，生成头文件，编译原生代码，并最终将动态库集成到Android应用中。同时，教程还展示了如何在NDK环境中使用Base64编码处理数据，以及通过JNI实现Java与C/C++之间的跨语言数据处理。

1. NDK在Android平台的作用和优势

引言

在Android应用开发领域，本章将揭开NDK（Native Development Kit）神秘的面纱。我们将探讨NDK在Android平台的作用，以及它为开发者带来的显著优势。

NDK简介

NDK是Android提供的一套开发工具，它允许开发者使用C和C++代码来构建性能关键部分的应用程序。NDK不仅可以帮助你利用已有的本地代码库，还可以通过优化性能来改善应用程序的整体表现。

优势详解

使用NDK的主要优势之一是性能的提升，尤其是在处理图形、音视频等计算密集型任务时。此外，NDK也便于代码的复用，尤其是对于那些已经存在的C/C++库。还有，它能减少CPU和内存的消耗，使应用更加高效。最后，通过NDK可以更好地控制底层硬件特性，实现更细腻的用户体验。

NDK的这些优势使得它在游戏开发、音视频处理、复杂算法实现等需要高性能处理的场景下变得不可或缺。在后续章节中，我们将具体了解如何使用NDK，并探讨JNI（Java Native Interface）的基础与实践应用，从而全面掌握在Android平台上开发高效本地代码的技巧。

2. JNI的基础使用方法及实践应用

2.1 JNI的基本概念与作用

2.1.1 了解JNI的重要性和用途

Java Native Interface (JNI) 是一种编程框架，它允许Java代码和其他语言写的代码进行交互。JNI 在 Android 应用开发中扮演了至关重要的角色，尤其是在需要进行性能优化、使用平台特定功能或访问现有本地代码库时。

JNI 用途广泛，包括但不限于以下几个方面：

性能关键型代码的优化 ：当Java虚拟机（JVM）无法提供足够的性能时，可以使用C/C++编写性能关键部分的代码，从而提高整体应用性能。 访问平台特定的功能 ：某些系统功能或硬件接口可能没有Java API，通过JNI可以调用本地库实现访问。 复用现有的本地代码库 ：如果你拥有现有的C/C++代码库，可以通过JNI调用这些库，避免从头开始用Java重写。

JNI不仅是一个连接层，它还必须处理两种语言之间的数据类型转换，保持内存管理的一致性，以确保应用的稳定运行。

2.1.2 JNI在Android中的应用案例分析

在Android开发中，JNI常用于实现以下案例：

图像和视频处理 ：复杂的图像处理算法，如实时滤镜、特效，以及视频编解码，通常在本地代码中实现以提高性能。 音频处理 ：音频数据处理，例如音频信号分析和合成，常需要直接操作底层硬件或系统资源。 硬件交互 ：比如NFC、蓝牙等硬件模块的访问，这些功能往往需要本地代码进行控制。 游戏开发 ：许多游戏引擎采用C/C++开发，通过JNI可以集成到使用Java编写的Android应用中。

在这些案例中，开发者需要特别注意的是，对于复杂和耗时的任务，通过JNI使用C/C++代码可以获得性能上的提升，但同时也需要管理好内存，处理好数据类型转换等问题。

2.2 JNI环境的搭建与配置

2.2.1 安装与配置NDK开发环境

为了使用JNI进行开发，首先需要安装NDK（Native Development Kit）。在Android Studio中，NDK的安装和配置可以按以下步骤进行：

打开Android Studio，进入 Preferences -> Appearance & Behavior -> System Settings -> Android SDK 。 在SDK Tools选项卡中，勾选 NDK (Native Development Kit) 以及 CMake 。 点击 Apply 或 OK ，让Android Studio下载并安装这些工具。

安装完成后，Android Studio的项目中就可以配置NDK了：

在项目的 build.gradle 文件中，添加以下内容到 android 块中：

android {


    ...


    externalNativeBuild {


        cmake {


            cppFlags ""


        }


    }


}

在项目根目录下创建 CMakeLists.txt 文件，并配置相应的CMake设置。

2.2.2 Android Studio中配置JNI的步骤

在Android Studio中配置JNI涉及到以下步骤：

创建本地方法 ：在Java代码中声明本地方法，使用 native 关键字标识。

public class MyNativeClass {


    static {


        System.loadLibrary("my_native_lib"); // "my_native_lib" 是库的名称


    }


 


    public native String myNativeMethod();


}

生成JNI头文件 ：使用 javah 命令或在Android Studio中利用工具自动生成JNI头文件。

编写本地实现 ：在C或C++文件中实现这些方法，并确保它们具有正确的签名。

#include <jni.h>


#include <string>


 


extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL


Java_com_example_myapp_MyNativeClass_myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject /* this */) {


    std::string hello = "Hello from C++";


    return env->NewStringUTF(hello.c_str());


}

构建项目 ：在 build.gradle 中配置CMake或ndk-build来编译这些本地代码。

加载并使用本地库 ：在Java代码中加载库，并使用本地方法。

public class MyNativeClass {


    // ...


    public String getGreeting() {


        return myNativeMethod();


    }


}

以上步骤完成后，你就可以在Android Studio项目中使用JNI进行本地代码开发了。这种方式使得在Android应用中混合使用Java和本地代码成为可能，极大地丰富了开发者的工具箱。

3. 创建与声明JNI函数的理论及实践

3.1 JNI函数的命名规则与创建方法

3.1.1 探索JNI函数命名的规则

JNI（Java Native Interface）作为Java和本地代码交互的桥梁，定义了一套严格的命名规则，使得Java虚拟机能够识别并正确调用本地方法。JNI函数命名规则遵循特定的前缀、方法签名和后缀。

命名前缀

所有通过JNI调用的本地方法都需要在Java中声明为native，并且它们的本地实现必须遵循特定的命名约定：Java_包名_类名_方法名。这种命名规则确保了Java方法与C/C++函数之间的唯一对应关系。

包名 ：是指Java类所在的包，全部用下划线（_）代替点（.）。 类名 ：是Java类的名称，如果类名中包含下划线，需要用双下划线（__）代替。 方法名 ：是Java方法的名称。

例如，Java类 com.example.MyClass 中的 myMethod 方法，在C/C++中的对应函数名应该是 Java_com_example_MyClass_myMethod 。

方法签名

此外，方法签名是由方法的参数类型以及返回类型组成的字符串，确保Java方法签名与C/C++函数签名严格匹配。对于非基本数据类型，签名使用其简写形式（如 Ljava/lang/String; 表示 String 类型）。基本数据类型则使用单个字符（如 I 表示 int ）。

例如， int myMethod(String s, int i) 的方法签名将会是 ([Ljava/lang/String;I)V 。

3.1.2 实践创建JNI函数的步骤

创建Java类

在开始编写本地代码之前，首先需要在Java中声明本地方法。例如：

package com.example;


 


public class MyClass {


    public native String myMethod(int i);


}

生成头文件

使用 javac 编译Java文件，然后使用 javah 工具生成相应的头文件：

javac MyClass.java


javah -jni com_example_MyClass

这将生成一个名为 com_example_MyClass.h 的头文件，其中包含了需要实现的本地方法的声明。

实现本地方法

在C/C++代码中实现本地方法，并包含头文件：

#include "com_example_MyClass.h"


 


JNIEXPORT jstring JNICALL


Java_com_example_MyClass_myMethod(JNIEnv *env, jobject obj, jint i) {


    // 本地方法的实现


    return (*env)->NewStringUTF(env, "Hello from C!");


}

3.2 JNI函数声明与Java层的映射

3.2.1 理解JNI函数的声明规范

在Java层声明的本地方法需要与C/C++层实现的函数匹配。这种映射主要通过两个方面来实现：

命名映射 ：Java声明的本地方法名必须和C/C++层的函数名匹配。这意味着按照JNI命名规则生成的C/C++函数名，应该与Java层的声明一致。 签名映射 ：在Java声明的本地方法签名必须和C/C++层函数的参数类型和返回类型一致。

3.2.2 实现JNI函数声明与Java层的映射关系

在Java中声明本地方法

package com.example;


 


public class MyClass {


    public native String myMethod(int i);


}

在C/C++中实现本地方法

#include "com_example_MyClass.h"


 


JNIEXPORT jstring JNICALL


Java_com_example_MyClass_myMethod(JNIEnv *env, jobject obj, jint i) {


    // 实现细节


    return (*env)->NewStringUTF(env, "Hello from C!");


}

在本章节中，通过深入解析JNI函数的命名规则以及创建方法，我们了解了如何在Java和本地代码之间建立桥梁。而通过映射JNI函数声明与Java层，使得这两个层次的代码能够进行有效通信。在下一章节中，我们将探讨如何生成JNI头文件以及在C/C++源文件中实现JNI函数的具体技巧。

4. JNI头文件的生成与C/C++源文件的实现

4.1 生成JNI头文件的工具和方法

在Java Native Interface (JNI) 的开发过程中，生成头文件是实现Java与C/C++代码互操作性的关键步骤之一。头文件包含与Java方法对应的本地方法声明，这样本地代码才能被正确地识别和调用。

4.1.1 使用javah工具生成头文件

传统的JNI开发中，开发者使用 javah 命令行工具从Java类中生成相应的头文件。虽然在较新的Android Studio版本中， javah 已被弃用，但它依然是理解JNI工作原理的一个基础。

下面是使用 javah 生成头文件的一个基础示例：

javah -jni com.example.MyClass

该命令会为 com.example.MyClass 类中声明的所有本地方法生成相应的JNI头文件。生成的头文件通常具有与Java类相同的包名和类名，并以 .h 扩展名结尾。

重要提示 ：尽管 javah 在新版本Android Studio中已被弃用，我们依然可以使用它来获取关于如何组织JNI代码的初步理解。

4.1.2 利用Android Studio自动生成头文件

从Android Studio 2.2开始，头文件的生成已经可以通过Android Studio自动完成，无需手动运行 javah 。当开发者在Java类中使用 native 关键字声明本地方法时，Android Studio会在构建项目时自动为这些方法生成相应的头文件。

例如，定义一个带有本地方法的Java类：

public class MyClass {


    static {


        System.loadLibrary("mylibrary");


    }


 


    public native void myNativeMethod();


}

在构建项目后，Android Studio会在 app/src/main/cpp 目录下生成对应的头文件 myclass.h ，里面包含 Java_com_example_MyClass_myNativeMethod 函数的声明。

注意 ：确保在 CMakeLists.txt 或 Android.mk 文件中声明了相应的库名称，以便Android Studio知道要生成哪些头文件。

4.2 C/C++源文件中实现JNI函数的技巧

4.2.1 掌握JNI函数在C/C++中的实现方法

在C/C++源文件中实现JNI函数是JNI开发过程中的核心环节。开发者需要遵循特定的函数签名约定来确保Java与C/C++代码之间的正确交互。

首先，理解以下JNI函数命名规则至关重要：

Java_[完全限定的Java类名]_[Java方法名](JavaVM* vm, jobject thiz, [参数类型列表])

例如，对于Java类 com.example.MyClass 中的 myNativeMethod 方法，其本地实现可能如下所示：

#include "myclass.h"


#include <jni.h>


 


JNIEXPORT void JNICALL


Java_com_example_MyClass_myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject thiz) {


    // 在这里实现本地方法的逻辑


}

在上面的例子中， JNINativeMethod 结构体用于注册Java类中的本地方法，以使Java层可以调用它。

4.2.2 使用C/C++处理Java数据类型和对象的技巧

在JNI中使用C/C++处理Java数据类型和对象时，需要知道如何在C/C++类型和Java类型之间进行转换。JNI提供了丰富的API来处理Java中的基本数据类型和对象。

例如，如果需要在C/C++中处理一个Java String ，可以使用以下JNI函数：

jstring myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject thiz) {


    jstring javaString = (*env)->NewStringUTF(env, "Hello from C++!");


    // 转换Java String对象到C/C++字符串


    const char* cString = (*env)->GetStringUTFChars(env, javaString, NULL);


    // 使用C/C++字符串进行操作


    // ...


    // 释放Java字符串资源


    (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, javaString, cString);


    return javaString;


}

在实际开发中，要确保妥善管理由JNI提供的各种资源，比如使用 ReleaseStringUTFChars 来释放字符串占用的内存资源。

实现细节和代码解释

为了深入理解JNI头文件的生成和C/C++源文件中JNI函数的实现，下面给出一个更具体的实现案例。

假设有一个Java类 com.example.MyClass ，它包含一个本地方法 myNativeMethod 。下面是完整的Java类声明：

package com.example;


 


public class MyClass {


    static {


        System.loadLibrary("mylibrary");


    }


 


    public native void myNativeMethod(String input);


}

在Android Studio中，当调用 System.loadLibrary("mylibrary") 时，Android构建系统会寻找相应的C/C++源文件。这个源文件应该包含对应的实现，如下所示：

#include "myclass.h"


#include <jni.h>


 


JNIEXPORT void JNICALL


Java_com_example_MyClass_myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject thiz, jstring input) {


    const char* cStr = (*env)->GetStringUTFChars(env, input, 0);


    if (cStr == NULL) {


        // 错误处理：无法获取输入字符串


        return;


    }


 


    // 在这里可以使用C/C++代码处理输入的字符串


    // ...


 


    // 释放输入字符串的资源


    (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, input, cStr);


}

此代码段展示了如何在C++中声明并实现一个接收字符串参数的本地方法。注意，此方法遵循了JNI的函数命名规则，并正确管理了Java字符串资源。

在实际项目中，开发者应根据具体情况使用JNI提供的API来处理更复杂的数据类型和对象，包括数组、类和对象实例等。

总结

本章节介绍了JNI头文件的生成方法，包括传统 javah 命令行工具的使用和Android Studio的自动头文件生成。同时，详细讲解了如何在C/C++源文件中实现JNI函数，并举例说明了如何处理Java中的基本数据类型和字符串对象。掌握了这些技巧，开发者可以有效地创建和维护Java与C/C++间的互操作代码。

5. 将NDK集成到Android项目及跨语言调用的流程

5.1 使用NDK编译工具链编译原生代码

5.1.1 深入理解NDK的编译过程

Android NDK提供了一套工具，可以让我们在C或C++环境下开发程序，并在Android平台上构建原生代码。NDK编译工具链使用GCC或Clang等编译器将C/C++代码编译成可在Android设备上运行的动态库文件（.so）。

NDK的编译过程主要分为以下步骤：

预编译（Pre-building） ：在此阶段，NDK构建系统会处理一些通用的编译前操作，如生成头文件和配置编译选项。 编译（Compiling） ：将C/C++源文件编译成目标文件（.o）。 链接（Linking） ：将一个或多个目标文件链接成最终的动态链接库（.so）。 打包（Packaging） ：将生成的.so文件和相应的头文件集成到Android项目中，使其可以被Java代码通过JNI调用。

5.1.2 实践操作NDK编译工具链进行代码编译

要实践操作NDK编译工具链，你需要在Android Studio中配置相应的NDK路径和构建类型。以下是一个简单的步骤说明：

在 build.gradle 文件中声明native代码： gradle android { ... sourceSets { main { jni.srcDirs = [] } } externalNativeBuild { cmake { cppFlags "" } } }

配置CMakeLists.txt文件： cmake cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1) 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 ) 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} )

在Android Studio中构建项目： 选择 Build > Make Project （或使用快捷键 Shift+F10 ），Android Studio将使用CMake构建原生库。

5.2 将.so文件集成到Android项目的步骤

5.2.1 探索.so文件在Android中的部署方法

一旦.so文件被成功构建，接下来就是将其集成到Android项目中，这样Java层代码就可以加载并调用原生库中的函数了。以下是在 build.gradle 文件中指定.so文件的位置：

android {


    defaultConfig {


        ...


        externalNativeBuild {


            cmake {


                cppFlags ""


            }


        }


    }


    sourceSets {


        main {


            jniLibs.srcDir 'src/main/libs'


        }


    }


}

5.2.2 案例演示.so文件的集成与配置

在此示例中，我们将在Android项目中集成一个名为 libnative-lib.so 的动态库文件。

将.so文件放入指定目录： 将编译好的 libnative-lib.so 文件放入 app/src/main/jniLibs/arm64-v8a 目录下。

Java层加载.so文件： 在Java代码中，你可以使用 System.loadLibrary("native-lib") 来加载.so文件，这里的 "native-lib" 是模块名，与CMakeLists.txt中定义的模块名对应。

5.3 加载动态库并调用JNI函数的完整流程

5.3.1 理解动态库的加载机制

动态库的加载机制是通过JNI函数 System.loadLibrary 完成的，它会根据当前设备的CPU架构寻找对应的.so文件。加载动态库通常发生在应用启动的时候。

5.3.2 实践加载动态库并调用JNI函数的步骤

加载动态库： java System.loadLibrary("native-lib");

调用原生函数： java public class MainActivity extends AppCompatActivity { // 加载原生库 static { System.loadLibrary("native-lib"); } // 声明原生方法 public native String stringFromJNI(); @Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { super.onCreate(savedInstanceState); setContentView(R.layout.activity_main); // 调用原生方法并显示返回的字符串 TextView tv = findViewById(R.id.sample_text); tv.setText(stringFromJNI()); } }

在C/C++中实现原生函数： “`cpp #include #include

extern “C” JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_example_myapp_MainActivity_stringFromJNI( JNIEnv env, jobject / this */) { std::string hello = “Hello from C++”; return env->NewStringUTF(hello.c_str()); } “`

5.4 在NDK中实现Base64编码的过程

5.4.1 探索Base64编码的原理与实现

Base64是一种用64个字符表示任意二进制数据的方法。在NDK中实现Base64编码，我们通常使用C/C++中的标准库函数，但要注意，Android NDK中并没有直接提供Base64编码的函数，需要自己实现或使用第三方库。

5.4.2 实践在NDK中编码和解码Base64数据

以下是使用纯C代码实现Base64编码的一个示例：

#include <stdio.h>


#include <string.h>


#include <stdlib.h>


 


static const char b64_table[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz***+/";


static const char padding_char = '=';


 


void base64_encode(const unsigned char* input, size_t length, char* output) {


    for (size_t i = 0, j = 0; i < length;) {


        uint32_t octet_a = i < length ? (unsigned char)input[i++] : 0;


        uint32_t octet_b = i < length ? (unsigned char)input[i++] : 0;


        uint32_t octet_c = i < length ? (unsigned char)input[i++] : 0;


 


        uint32_t triple = (octet_a << 0x10) + (octet_b << 0x08) + octet_c;


 


        output[j++] = b64_table[(triple >> 3 * 6) & 0x3F];


        output[j++] = b64_table[(triple >> 2 * 6) & 0x3F];


        output[j++] = b64_table[(triple >> 1 * 6) & 0x3F];


        output[j++] = b64_table[(triple >> 0 * 6) & 0x3F];


    }


 


    for (int i = 0; i < 3; i++) {


        if (i >= (length / 3)) {


            output[length + i] = padding_char;


        }


    }


}


 


int main() {


    const char* input = "Hello, World!";


    char* output = (char*)malloc(strlen(input) * 4 / 3 + 4);


 


    base64_encode((const unsigned char*)input, strlen(input), output);


    printf("Encoded: %s
", output);


 


    free(output);


    return 0;


}

5.5 跨语言数据处理示例与说明

5.5.1 分析JNI中的数据类型转换

JNI提供了丰富的API来处理Java和C/C++之间的数据类型转换，包括字符串、基本数据类型、数组等。例如，Java中的字符串与C/C++的字符数组（char*）可以相互转换，数组数据也可以互相转换。

5.5.2 案例展示跨语言数据处理的具体应用

假设我们要在C/C++中处理一个Java传入的字符串并返回处理后的字符串：

#include <jni.h>


#include <string>


 


extern "C"


JNIEXPORT jstring JNICALL


Java_com_example_myapp_MainActivity_processString(JNIEnv *env, jobject /* this */, jstring javaString) {


    const char *str = env->GetStringUTFChars(javaString, 0);


    std::string cstr = "Processed: ";


    cstr += str;


    env->ReleaseStringUTFChars(javaString, str);


    return env->NewStringUTF(cstr.c_str());


}

在Java中：

public native String processString(String input);

这样，我们就通过JNI实现了从Java传入字符串，C++处理后返回新字符串的跨语言操作。

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简介：NDK是Android开发中用于实现高性能和硬件交互的工具，结合JNI，它允许在Android应用中调用C/C++库。本教程通过一个基础的JNI和NDK实践项目，介绍了如何使用C/C++代码实现JNI函数，生成头文件，编译原生代码，并最终将动态库集成到Android应用中。同时，教程还展示了如何在NDK环境中使用Base64编码处理数据，以及通过JNI实现Java与C/C++之间的跨语言数据处理。

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