在 Android 中使用 C/C++：初学者综合指南

一、为什么有人在他们的 Android 项目中需要 C/C++ 支持？
二、了解 C++ 如何集成到 Android 应用程序中
三、C++和Java程序的编译
- 3.1 Java
- 3.2 Android ART 和 DEX 字节码
四、使用 JNI 包装 C++ 源代码
五、CMake和Android NDK
- 5.1 Android NDK 和工具链
- 5.2 什么是 CMake？
六、共享库和 ABI

Java 作为一种编程语言，具有许多良好的功能，使其成为应用程序开发的首选语言。它独立于平台（因为虚拟机执行）、JIT 编译、多线程支持以及为程序员提供的富有表现力的简单语法。由于其与平台无关的特性，Java 包可以跨 CPU 架构移植，这使得库开发变得更加容易，从而增强了插件、构建工具和实用程序包的整体生态系统。

功能数量与性能之间恰好存在权衡。像汇编这样的语言具有最少的内存和执行开销，但从程序员的角度来看，其功能数量也最少。在层次结构中向上移动，C 和 C++ 等语言提供了一组良好的功能，同时保持更接近底层硬件。在它们之上的是Java和Python等语言，它们选择通过使用虚拟机来完全消除平台依赖。用这些语言编写的程序有巨大的开销，但却是开发人员的天堂。

JVM 现在可以访问共享库中公开的函数，并且操作系统根据需要执行它们。

一、为什么有人在他们的 Android 项目中需要 C/C++ 支持？

正如我们上面的讨论，在我们的系统中，性能比开发人员友好性更重要，这将我们的重点从 Java/Kotlin 转移到了“原生语言”(C/C++)。让我们通过一些示例来了解本机代码的作用及其性能改进，

图形、渲染和交互：在 Jetpack Compose 等高级框架中，开发用户界面并使其看起来有吸引力似乎是小菜一碟。在像素级别，需要进行数千次计算来计算阴影的强度、闪电模式和物体的纹理。这些计算涉及大量使用线性代数结构，例如向量和矩阵及其各自的运算。处理触摸交互，包括处理移动屏幕上触摸传感器的原始坐标，以及区分单击、双击、拖动或滑动手势，也需要大量计算。这些计算可以用更接近硬件的语言更好地执行，从而可以执行额外的优化。
机器学习：C/C++ 的作用很容易理解，因为 PyTorch 和 TensorFlow 等流行框架的代码库的主要部分是用 C/C++ 编写的。TensorFlow 使用用 C++ 编写的操作，并提供包装器（接口）来使用 Python 代码中的这些操作。C++ 的采用是显而易见的，作为线性代数运算的代码库，CUDA（用于并行处理）是多年前编写的，并且已经经过多年的考验。使用Python作为TensorFlow的接口之一，只是为了让C/C++的东西看起来整洁，并且对于非编程用户来说也很容易。

图：TensorFlow 源代码片段，显示了 arg_max 操作的实现。图片参考：作者截图自GitHub上TensorFlow官方源代码

许多此类系统在牺牲可读性和其他一些因素的情况下维护性能。接下来，我们将简短讨论指令集架构 (ISA) 以及程序执行如何随着 CPU 架构的变化而变化。

二、了解 C++ 如何集成到 Android 应用程序中

图 1：Android 应用程序如何使用 C++ 源代码的描述。

如上图所示，描述了 Android 中 C/C++ 代码的使用，其中存在两个独立的构建过程，一个用于 C/C++ 代码，另一个用于 Java/Kotlin 代码。在本博客中，我们将重点关注 C/C++ 代码构建过程，并了解代码如何与 JVM 通信以进行函数调用。

我们首先简要概述一下 C/C++ 和 Java 程序的编译方式，主要强调 C/C++ 编译的平台特定性。接下来，我们讨论 JNI，它充当 C/C++ 和 Java 代码之间的粘合剂。我们结束对 CMake、共享库和 ABI 的讨论，它们是构建过程的最底层组件。

正如 Reddit 用户建议的那样pjmlp，Android 不使用 JVM 在设备上运行应用程序。它有自己的运行时，ART（Android RunTime）继承了 Dalvik 及其自定义字节码 DEX。

让我们开始吧🚀

三、C++和Java程序的编译

➡️ C++ 是一种编译语言，源代码被转换为可执行的二进制代码。可执行文件包含源程序的二进制版本、常量和库代码（如果需要）。

➡️ 该可执行文件由操作系统的一个组件（称为加载程序）解析，该组件为程序的执行分配内存并从可执行文件中读取指令。例如，如果一个hello-world C++ 程序是g++在 Ubuntu 上编译的，那么它也可以在其他一些 Linux 发行版上运行，只要它们理解x86或x86_64指令集。

arm➡️ 移动设备在指令集上运行arm64，因此编译的程序x86将无法工作，因为两个可执行文件都是用完全不同的语言编写的（如加载程序所见）。

图 2：C++ 和 Java 程序的编译。Java 编译器生成的类文件与平台无关，而 C++ 编译器（如 GCC）生成的可执行文件（或共享库）与平台相关。Java类文件需要目标机器上的JVM来执行程序，而C++可执行文件可以直接使用操作系统提供的链接器和加载器运行。

一个 Android 项目，包含四种不同平台/架构的库。（作者截图）

Android 设备主要可以在四种架构上运行- arm64-v8a、armeabi-v7a和x86。x86_64该arm-架构还适用于大多数 Android 手机中使用的基于 ARM 的处理器，而x86-基于 ARM 的处理器则用于 Intel 或 AMD 处理器，例如 Windows 模拟器和 Chromebook。

3.1 Java

➡️ 如果您在某个时间点学习过 Java，视频和博客中经常强调的一个显着功能是平台独立性或构建一次，随处运行。Java 不是将源代码转换为机器相关的可执行格式，而是将代码转换为中间表示 (IR)。

x86➡️ IR 与平台无关，这意味着无论指令集有何arm差异，平台上生成的 IR都是相同的。IR 由一个依赖于平台的组件（称为 Java 虚拟机）进行解析，该组件从中读取指令并在底层 CPU 上执行它们。由于 JVM 一只手负责 IR，另一只手负责机器的 CPU，因此它与平台无关。

JVM 支持即时 (JIT) 编译，与纯解释性语言相比，这种技术可以提供巨大的性能提升。

➡️ JVM 可以在几乎所有 CPU 架构上运行，并执行在任何平台上编写的 Java 代码（因为生成的 IR 与平台无关），唯一的依赖项是我们需要在目标计算机上安装 JVM。

总而言之，Java 和 C++ 有不同的编译策略，关键是 C++ 执行依赖于体系结构，因此如果我们尝试将 C++ 与任何体系结构中立的语言（如 Java）一起使用，我们需要确保 C++ 依赖关系尊重不同的编译策略。他们将在其上运行的架构。

3.2 Android ART 和 DEX 字节码

Android 作为一个操作系统，并不使用标准的 JVM 来执行 Java 代码。打包的应用程序 APK 包含 DEX 文件（类似于.class文件）以及本机代码和资源。DEX 文件由操作系统提前（在执行之前）编译为本机可执行代码，当用户打开应用程序时，可以快速实例化这些代码。

四、使用 JNI 包装 C++ 源代码

JNI 或 Java 本机接口是一个允许 JVM 和本机代码（C、C++ 或汇编代码）之间轻松通信的框架。一般来说，它提供外部函数接口（FFI），允许用一种语言编写的代码与用另一种语言编写的代码进行通信，通常是通过函数调用的方式。Java 源代码可以搜索 C++ 模块中存在的函数定义，这些函数被标记为供 JVM 使用。

// C++ source file
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_projects_ml_samplecppdemo_MainActivity_compute(
        JNIEnv* env,
        jobject instance ,
        jstring message , 
        jlong length
) {
    // Method block goes here
}

compute将在中具有等效的 Kotlin 函数MainActivity，

// Kotlin source file
external fun compute( message: String , length: Long ): String

在编译时，JVM 需要找到我们在代码中声明的MainActivity.kt函数的定义。compute我们知道，定义包含在C++源文件中，那么我们如何将其提供给Java程序呢？我们编译 C++ 代码并将其打包为共享库，JVM 将在其中搜索 JNI 函数的定义。

五、CMake和Android NDK

CMake和Android NDK在C/C++源代码编译中的作用

5.1 Android NDK 和工具链

我们在基于 Windows、macOS 或 Linux 的操作系统上开发 Android 应用程序。这些系统大多数没有 Android 特定的 ARM 架构，并且无法在 Android 设备上编译代码。那么我们如何为手机使用的Android特定ARM架构编译代码呢？

Android NDK 中存在的工具链概述。

我们使用 Android NDK（Android 本机开发套件），它提供编译器和链接器来从x86甚至其他arm设备（Apple Silicon 或 Raspberry Pi）构建 Android-ARM 库和可执行文件。在运行其他目标（例如 Android-ARM）的系统上为其他目标（例如 Android-ARM x86_64）构建代码的过程称为交叉编译。因此，在 Windows 计算机上，使用 Android NDK 的编译器，我们可以为应用程序构建共享库，该应用程序可以在移动设备（即 ARM 设备）上完美运行。

Android NDK 中有一个CMAKE_TOOLCHAIN_FILE，它通知 CMake 使用哪个编译器。正如维基百科所说，工具链是一组编程工具，用于执行复杂的软件开发任务或创建软件产品，Android NDK为不同的Android API级别提供了各种工具链来构建和编译C/C++程序。

5.2 什么是 CMake？

g++如果我们要编译一个简单的 C++ hello-world 程序，我们将使用大多数 Linux 发行版中预安装的GNU编译器，

g++ main.cpp -o main

➡️ 对于单个源文件，main.cpp单个命令即可完成工作。较大的代码库可能具有多个模块和大量 C/C++ 源文件，这些文件必须编译或构建到共享/静态库中。此类代码库（其他 C++ 项目）的依赖关系需要很好地集成。如此庞大的代码库也需要大量的编译时间。

➡️为了解决这些问题，Make可以使用GNU的工具，它提供了管理多个目标、增量构建、包含头文件的能力以及支持多种语言的功能。因此，单个Make脚本将有效地执行编译，而不是运行多个命令进行编译。

cmake_minimum_required(VERSION 3.22.1)

project("samplecppdemo")

# Tell CMake to build a shared library (.so) for the given
# source file native-lib.cpp.
# native-lib.cpp also contains the JNI functions
add_library(
        ${CMAKE_PROJECT_NAME} 
        SHARED
        native-lib.cpp)

# CMake can also link other libraries to the current build
# android and log are used to provide android-specific routines
# and logging respectively
target_link_libraries(
        ${CMAKE_PROJECT_NAME}
        android
        log)

➡️ CMake 可以Make以独立于编译器的方法生成脚本，并具有自己的语法，允许开发人员添加依赖项、标头和其他必须在编译时链接的库。CMake 类似于 Gradle，因为两者都是构建系统。