安卓 NDK 入门指南

本文的前身是一篇笔记，比较零碎，发布出来是为了让后续的文章可以有一个基本的参考，本文会持续更新。

NDK 的高性能最常见的场景：多媒体，游戏。此外，利用 NDK 还能练习 C/C++，一举两得。

基本概念

• shared library, .so
• static library, .a
• JNI: Java Native Interface
• Application Binary Interface, ABI：我们将符号修饰标准、变量内存布局、函数调用方式等跟可执行代码二进制兼容性相关的内容称为程序的 ABI（摘自《程序员的自我修养》）；
• Application Programming Interface, API：API 是源码层面的接口，而 ABI 则是二进制层面的接口，ABI 的兼容程度更为严格；
• CPU 架构
  • armeabi
  • armeabi-v7a
  • arm64-v8a
  • x86
• JNI function v.s. native method：前者是 JNI 系统（Java）提供的函数，后者则是 Java 类里面定义的 native 函数；

写代码时 C++ 和 Java 的互相调用，这是 JNI 提供的能力，NDK 可以编译出和安卓系统 ABI 兼容的静态/动态库，安卓 APK 打包进去以及运行时使用的都是动态库，静态库可以作为依赖，用来编译其他库。

NDK 开发现在有两种编译方式，一是 ndk-build，我们需要编写 Android.mk 和 Application.mk，运行 ndk-build 命令进行编译，另一种是 CMake，它和 Gradle 紧密结合，AndroidStudio 对它也有很好的支持，我们需要编写 CMakeLists.txt 和 build.gradle。

如果我们的 APP 不希望编写任何 Java 代码，这也是可以做到的，NDK 定义了 native activity 和 native application。除了这俩模块，还有很多模块也都有 native 的定义，我们可以直接在 C++ 代码中访问，例如 native window，asset manager 等。

JNI

Design overview

• JNI interface pointer：native 代码通过它使用 JVM 的功能（调用 JNI functions）；
  • 它就是 native 方法的 JNIEnv* env 参数，它是一个指针的指针，所以使用都是 (*env)->XXX；C++ 语法层面可以简化为 env->XXX；
  • 可以把它理解为一个线程局部的指针，只在传入时的线程内有效，不要把它存起来给其他线程用；JVM 保证同一个线程内多次调用（不同的）native 方法，env 指针都是同一个，不同线程调用，env 指针将不同；

• 函数命名规则，参数对应规则，参数使用之前的转换，现在 Android Studio 都有了很好的支持；
• 参数列表：第一个参数是 JNI interface pointer JNIEnv* env，如果方法是 static，第二个参数就是该类的 class 对象引用，否则是该对象的引用；其他参数的对应关系见 JNI Types and Data Structures；
• 访问 Java 对象：primitive 类型传值，对象传引用，这和 Java 的机制一致；native 代码需要显式告知 JVM，何时引用了 Java 对象，何时释放了引用；
  • Global References：有效期不限于本次函数调用，需显式释放；
  • Local References：有效期仅限于本次函数调用，无需显式释放；为了允许提前 GC，或者防止 local ref 导致 OOM 时，可以显式释放；local ref 只允许在被创建的线程使用；
• 访问 primitive 数组：JNI 引入了“pinning”机制，可以让 JVM “固化”数组的地址，允许 native 代码获得直接访问的指针；
• 访问成员变量和成员函数：根据名字和签名，取得函数/变量的 id，再利用 id 进行调用；持有函数/变量的 id 不能阻止类被卸载，持有类的 class 对象引用可以阻止；
• JNI 允许在 native 代码中抛出异常，也能捕获异常；

JNI Functions

• 访问 Java 的方法，需要指定签名（signature，包含参数列表、返回值类型），可以用 javap –s -classpath <path to class file> <import path> 获取；
• 类操作、异常处理、reference、对象操作、成员变量、成员函数、字符串、数组、monitor、NIO、反射……具体可以参考 spec；

The Invocation API

• native 线程可以创建 JavaVM 和 JNIEnv 对象，用于运行 Java 的代码；
• JNIEnv 只在创建的线程内有效，如果要如果要保存起来在其他线程使用，都需要先 AttachCurrentThread，下面的代码参考自 StackOverflow：

// 在 JNI_OnLoad 中直接保存 g_vm，或者在初始化函数中利用 JNIEnv 获取并保存 g_vm
static JavaVM *g_vm;

jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
    g_vm = vm;
}

...init(JNIEnv *env...) {
    env->GetJavaVM(&g_vm);
}

// 利用 g_vm 获取 JNIEnv，并判断是否需要 attach
void nativeFunc(char *data, int len) {
    JNIEnv *env;
    int getEnvStat = g_vm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_6);
    if (getEnvStat == JNI_EDETACHED) {
        int attached = g_vm->AttachCurrentThread(&env, NULL);
        LOGI("AttachCurrentThread: %s", (attached ? "false" : "true"));
    } else if (getEnvStat == JNI_OK) {
        LOGI("thread already attached");
    } else if (getEnvStat == JNI_EVERSION) {
        LOGI("Unsupported JVM version");
        return;
    }
    callJNIFunc(env, data, len);
    if (getEnvStat == JNI_EDETACHED) {
        g_vm->DetachCurrentThread();
    }
}

• native 库被加载的时候（System.loadLibrary），会调用 JNI_OnLoad 函数；库被 GC 的时候，会调用 JNI_OnUnload；
• 调用 JVM（JNI）方法都需要 JNIEnv 指针，但 JNIEnv 不能跨线程共享，我们只能共享 JavaVM 指针，并用它来获取各自线程的 JNIEnv；

JNI tips

• 不要跨线程共享 JNIEnv，要共享就共享 JavaVM；
• 如果头文件会被 C/C++ 同时 include，那最好里面不要引用 JNIEnv；
• pthread_create 创建的线程，需要调用 AttachCurrentThread 才能拥有 JNIEnv，才能调用 JNI 函数；attach 会为该 native 线程创建一个 java.lang.Thread 对象；attach 之后的线程，在退出之前需要 detach，当然，也可以更早 detach；

jclass, jmethodID, and jfieldID

• native 代码中访问 Java 成员变量或者调用 Java 函数，需要先找到 jclass，jmethodID 或 jfieldID，找到这些变量会比较耗时，但找到之后访问/调用是很快的；
• jclass 如果要存起来，必须用 NewGlobalRef 包装一层，一是防止被 GC，二是为了在作用域之外使用；如果要缓存 jmethodID 或 jfieldID，可以在 Java 类的 static 代码块中调用 native 函数执行缓存操作；

Local and Global References

• native 方法的参数，以及绝大多数 JNI 方法的返回值，都是 local reference，即便被引用的对象还存在，local reference 也将在作用域外变得非法（不能使用）；可以通过 NewGlobalRef 或者 NewWeakGlobalRef 创建 global reference；常用的保存 jclass 方法就是如下：

jclass localClass = env->FindClass("MyClass");
jclass globalClass = reinterpret_cast<jclass>(env->NewGlobalRef(localClass));

• 在 native 代码中，同一对象的引用值可能不同，因此不要用 == 判等，而要用 IsSameObject 函数；
• 对象的引用既不是固定不变的，也不是唯一的，因此不要用 jobject 作为 key；
• 通常 local reference 可以被 JVM 自动释放，但由于存在数量上限，而且手动 attach 的线程不会自动释放 local reference，因此最好还是手动释放 local reference，尤其是在循环中；

UTF-8, UTF-16 Strings, Primitive Arrays

• Get 之后都需要 Release，否则内存泄漏；Get 可能失败，不要 Release NULL；
• Get<PrimitiveType>ArrayElements 可能会直接返回 Java heap 上的地址，也可能会做拷贝；无论是否拷贝，都需要 Release；
• Release 时有 mode 参数，0，JNI_COMMIT，JNI_ABORT；
• Get<PrimitiveType>ArrayRegion 和 Set<PrimitiveType>ArrayRegion 用于单纯的数组拷贝；
• 自己实现的 JNI 接口如果要返回 jstring，则调用 NewStringUTF，传入的 char* 参数，需要自己维护内存，可以是栈上分配的，如果是 new 出来的，就要 delete 掉，参考问题；

Exceptions，Extended Checking

• 异常发生后，就不要调用 JNI 函数了，除了 Release/Delete 等函数；
• adb shell setprop debug.checkjni 1 或在 manifest 中设置 android:debuggable；

Java 和 native 代码共享数组

• GetByteArrayElements 可能直接返回堆地址，也可能会进行拷贝，后者就存在性能开销；
• java.nio.ByteBuffer.allocateDirect 分配的数组，一定不需要拷贝（通过 GetDirectBufferAddress）；但在 Java 代码中访问 direct ByteBuffer 可能会很慢；
• 所以需要考虑：数组主要在哪一层代码访问？（native 层就用 direct ByteBuffer，Java 层就用 byte[]）如果数据最终都要交给系统 API，数据必须是什么形式？（最好能用 byte[]）

CMake 基本使用

CMake 是用来生成其他编译系统配置文件的一套工具集，从 AndroidStudio 2.2 开始作为默认的 NDK 支持方式，和 Gradle、AndroidStudio 都做到了紧密结合。

build.gradle 示例：

android {
    //...
    defaultConfig {
        //...
        ndk.abiFilters = ['armeabi-v7a']
        externalNativeBuild {
            cmake {
                arguments = ['-DANDROID_TOOLCHAIN=clang', '-DANDROID_STL=c++_static']
                cppFlags '-std=c++11 -fno-rtti'
            }
        }
    }
    externalNativeBuild {
        cmake {
            path "CMakeLists.txt"
        }
    }
    //...
}

CMakeLists.txt 示例：

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

set(CWD ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR})

add_library(try-webrtc SHARED
            src/main/cpp/try-webrtc.cpp
            )

include_directories(libs/webrtc/include)
add_definitions(-DWEBRTC_POSIX)

# Include libraries needed for try-webrtc lib
target_link_libraries(try-webrtc
                      android
                      log
                      ${CWD}/libs/webrtc/libwebrtc.a
                      )

set

定义一个变量，引用变量的方式为 ${var name}。

add_library

定义一个 library，指定名字，链接类型（static/shared），源文件：

add_library( # Specifies the name of the library.
             try-webrtc
             # Sets the library as a shared library.
             SHARED
             # Provides a relative path to your source file(s).
             src/main/cpp/try-webrtc.cpp
             )

add_executable

定义一个可执行目标：

add_executable(myapp main.c)

include_directories

指定头文件查找路径：

# Specifies a path to native header files.
include_directories(libs/webrtc/include)

find_library

查找特定的库：

find_library( # Defines the name of the path variable that stores the
              # location of the NDK library.
              log-lib
              # Specifies the name of the NDK library that
              # CMake needs to locate.
              log 
              )

target_link_libraries

为目标增加链接库：

# Links your native library against one or more other native libraries.
target_link_libraries( # Specifies the target library.
                       try-webrtc
                       # Links the log library to the target library.
                       ${log-lib} 
                       android
                       ${CWD}/libs/webrtc/libwebrtc.a
                       )

链接库可以是 add_library 定义的，也可以是 find_library 定义的，也可以是预先编译好的静态/动态库（绝对路径），甚至可以是链接选项。

CMake 遇上 Gradle

AndroidStudio 会在构建过程中执行一些 Gradle task，其中就包含运行 CMake 命令的 task，这样就完成了对 NDK 的支持。运行 CMake 的具体命令和参数，会保存在 <project-root>/<module-root>/.externalNativeBuild/cmake/<build-type>/<ABI>/cmake_build_command.txt 文件中，调试 CMake 过程时非常有用。在这里 CMake 实际上是生成了 ninja 配置文件，靠 ninja 完成编译。

开发技巧

• native obj 做 Java wrapper
  • 把 native obj 指针 jlong handle = reinterpret_cast<intptr_t>(ptr) 得到一个 jlong 值；
  • Java obj 保存一个这个 long 值，后续 native 接口调用都带着它；
  • native 函数中 reinterpret_cast<NativeType*>(j_ptr) 得到 native obj 的指针，就可以调用它的方法了；

参考链接

• JNI spec
• JNI tips
• Best practices for using the Java Native Interface
• 添加、引入、引用 C/C++ 代码、模块
• NDK 提供的可直接使用的库
• googlesamples/android-ndk