Android Studio引入ndk编译的so库, 通过jni给Java程序使用

前言

工作要求将一个C++老项目的函数用ndk打包成库给安卓同事的java程序调用。

这个任务我debuff拉满：

  • 自己之前从来没接触过安卓开发，问了老板为什么不让安卓开发来干，老板说安卓开发不懂c++，公司就我一个是懂c++的。。。
  • 项目开发年限超过十年，只在32位系统编译过，一些32位可以通过的代码到了64位就不行了，很多的库多少有些兼容问题
  • 项目开发环境全程断网，给开发带来诸多不便

感谢智谱和GPT4，最后花了几天还是摸清了一条路出来，不然可能过了一周都搞不清android.mk要怎么写。

不废话，笔记如下：

知识点记录：
NDK：Native Development Kit，是 Android 的一个工具开发包。NDK 可以看做是 Android 中实现 JNI 的一种手段（另一种是CMake），通过 NDK，还可以打包 C/C++ 动态库，并自动打包进 APK/AAR 中。我们可以到安卓官网下载NDK，可以直接执行NDK命令，也可以集成NDK到AndroidStudio中编译C/C++文件。

JNI：Java Native Interface，即 Java 本地接口。使得 Java 与本地其他类型语言（如 C、C++）交互。也就是在 Java 中调用 C/C++ 代码，或者在 C/C++ 中调用 Java 代码。JNI 是 Java 的，和 Android 无关。
.SO文件：so文件是Linux下的程序函数库,即编译好的可以供其他程序使用的代码和数据。一般来说.so文件就是常说的动态链接库, 都是C或C++编译出来的。与Java比较就是：它通常是用的Class文件（字节码）。Linux下的.so文件时不能直接运行的,一般来讲,.so文件称为共享库。

Android.mk ：文件位于项目 jni/ 目录的子目录中，用于向编译系统描述源文件和共享库。它实际上是编译系统解析一次或多次的微小 GNU makefile 片段。Android.mk 文件用于定义 Application.mk、编译系统和环境变量所未定义的项目范围设置。它还可替换特定模块的项目范围设置。Android.mk 的语法支持将源文件分组为模块。模块是静态库、共享库或独立的可执行文件。

开发环境

OS:Windows 11

Android Studio版本：2021.3.1.17 Download link

NDK: r26d download link

开始操作

编译安卓so库

首先得搞清楚ndk-build怎么使用，这东西本质是对clang的封装， android.mk就相当于ndk的makefile，这里用一个c++的四则运算来讲。

创建这么个项目：

PS D:\MyCodeBase\ndk_test> ls
目录: D:\MyCodeBase\ndk_test

Mode                 LastWriteTime         Length Name
----                 -------------         ------ ----
-a----         2024/7/13     17:34            594 android.mk
-a----         2024/7/13     17:29             71 application.mk
-a----         2024/7/13     17:27            838 mycal.cpp
-a----         2024/7/13     17:27            520 mycal.h

c++的四则运算类实现如下，我这里参考公司的实现方式，一个亮点是使用了工厂模式，头文件类只放基类，基类内全是纯虚函数（接口），实现在源文件里另有子类处理，头文件只提供creator创建实现类，返回基类指针，通过基类指针来操作接口方法。

// mycal.h

#ifndef MYCAL_H
#define MYCAL_H

#include <iostream>
#include <string>

// 运算接口基类
class Calculator {
public:
    virtual ~Calculator() = default;

    virtual double add(double a, double b) const = 0;
    virtual double sub(double a, double b) const = 0;
    virtual double mul(double a, double b) const = 0;
    virtual double div(double a, double b) const = 0;
};

// 非类成员工厂函数声明
Calculator* createCalculator();

#endif // MYCAL_H

// mycal.cpp

#include "mycal.h"
#include <stdexcept>

// 实现Calculator接口的具体类
class CalculatorImpl : public Calculator {
public:
    double add(double a, double b) const override {
        return a + b;
    }

    double sub(double a, double b) const override {
        return a - b;
    }

    double mul(double a, double b) const override {
        return a * b;
    }

    double div(double a, double b) const override {
        if (b != 0.0) {
            return a / b;
        } else {
            throw std::runtime_error("Division by zero.");
        }
    }
};

// 工厂函数实现
Calculator* createCalculator() {
    return new CalculatorImpl();
}

ndk-build通过android.mk和application.mk来控制编译，android.mk已经提过，什么是application.mk? 其实是另一个脚本，专门用于控制编译平台相关的东西，比如android平台版本，ABI架构，我在这个例子中指定平台为android-24，输出x86, x86_64, arm64-v8a, armeabi-v7a四种架构的so库。

#application.mk
APP_PLATFORM := android-24
APP_ABI := x86 x86_64 arm64-v8a armeabi-v7a

# android.mk
# build: ndk-build NDK_PROJECT_PATH="./" APP_BUILD_SCRIPT="./android.mk" NDK_APPLICATION_MK="./application.mk" V=1
LOCAL_PATH := $(call my-dir)

include $(CLEAR_VARS)

LOCAL_MODULE    := mycal 					#模块名
LOCAL_SRC_FILES := mycal.cpp   				#源文件路径
LOCAL_C_INCLUDES := $(LOCAL_PATH) 			#指定头文件搜索路径
LOCAL_CPPFLAGS := -fexceptions 				#启用throw错误，默认不启用会保存
LOCAL_LDLIBS    := -llog -lc++_shared 		#指定链接库, 其中c++_shared对于c++文件编译必须要加上，否则会报错

include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

ndk-build编译：

ndk-build NDK_PROJECT_PATH="./" APP_BUILD_SCRIPT="./android.mk" NDK_APPLICATION_MK="./application.mk" V=1

参数讲解：

NDK_PROJECT_PATH:指定ndk项目的根路径

APP_BUILD_SCRIPT:指定android.mk路径

NDK_APPLICATION_MK:指定application.mk路径

V=1:输出clang的编译日志，默认不输出

ndk-build的更多选项可见：ndk-build官方使用说明

命令编译成功后，应该会在目录下出现libs和objs两个文件夹，其中libs存在指定的各个架构下的so库:

PS D:\MyCodeBase\ndk_test> tree /F
卷 New Volume 的文件夹 PATH 列表
卷序列号为 6AC4-31C7
D:.
│  android.mk
│  application.mk
│  main.cpp
│  mycal.cpp
│  mycal.h
│
├─libs
│  ├─arm64-v8a
│  │      libmycal.so
│  │
│  ├─armeabi-v7a
│  │      libmycal.so
│  │
│  ├─x86
│  │      libmycal.so
│  │
│  └─x86_64
│          libmycal.so
│
└─obj
    ....

自此android程序需要的so库编译完成。

android studio的jni编程

打开android studio，新建一个native c++项目MyCalLib：

image-20240717111945879

在MyCalLib项目中，将ndk_test项目的libs文件夹拷贝到对应的libs文件夹（更老版本可能是jniLibs，不过我这个创建就有libs）, 并将mycal.h拷贝到cpp文件夹，接着修改CMakeLists.txt将so库引入：

cmake_minimum_required(VERSION 3.18.1)

# Declares and names the project.

project("mycallib")


find_library(log-lib log)
find_library(c++_shared-lib c++_shared)

# Creates and names a library, sets it as either STATIC
# or SHARED, and provides the relative paths to its source code.
# You can define multiple libraries, and CMake builds them for you.
# Gradle automatically packages shared libraries with your APK.
set(my_lib_path ${CMAKE_SOURCE_DIR}/../../../libs)
add_library(mycal SHARED IMPORTED)
set_target_properties(mycal PROPERTIES IMPORTED_LOCATION ${my_lib_path}/${ANDROID_ABI}/libmycal.so)

add_library( # Sets the name of the library.
        mycallib

        # Sets the library as a shared library.
        SHARED

        # Provides a relative path to your source file(s).
        native-lib.cpp
        )


# Specifies libraries CMake should link to your target library. You
# can link multiple libraries, such as libraries you define in this
# build script, prebuilt third-party libraries, or system libraries.

target_link_libraries( # Specifies the target library.
        mycallib

        # Links the target library to the log library
        # included in the NDK.
        ${log-lib}
        ${c++_shared-lib}
        mycal
        )

image-20240717113422508

然后在MainActitivity.java声明jni接口：

    public native void calInit();
    public native double add(double a, double b);
    public native double sub(double a, double b);
    public native double mul(double a, double b);
    public native double div(double a, double b);

在native-lib.cpp实现这些jni接口，jni的命名方式为Java_包名_类名_方法名，不过AS下应该能自动生成函数签名。

#include <jni.h>
#include <string>
#include "mycal.h"


extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_example_mycallib_MainActivity_stringFromJNI(
        JNIEnv* env,
        jobject /* this */) {
    std::string hello = "Hello from C++";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}
Calculator* cal;
extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_mycallib_MainActivity_calInit(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    cal = createCalculator();
}
extern "C"
JNIEXPORT jdouble JNICALL
Java_com_example_mycallib_MainActivity_add(JNIEnv *env, jobject thiz, jdouble a, jdouble b) {
    return cal->add(a, b);
}
extern "C"
JNIEXPORT jdouble JNICALL
Java_com_example_mycallib_MainActivity_sub(JNIEnv *env, jobject thiz, jdouble a, jdouble b) {
    return cal->sub(a, b);
}
extern "C"
JNIEXPORT jdouble JNICALL
Java_com_example_mycallib_MainActivity_mul(JNIEnv *env, jobject thiz, jdouble a, jdouble b) {
    return cal->mul(a, b);
}
extern "C"
JNIEXPORT jdouble JNICALL
Java_com_example_mycallib_MainActivity_div(JNIEnv *env, jobject thiz, jdouble a, jdouble b) {
    return cal->div(a, b);
}

函数的生成结果需要在机子上测试，测试界面activity_main.xml准备四个文本框，分别显示四则运算的运算结果：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<androidx.constraintlayout.widget.ConstraintLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    xmlns:app="http://schemas.android.com/apk/res-auto"
    xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent"
    tools:context=".MainActivity">

    <TextView
        android:id="@+id/sample_text"
        android:layout_width="wrap_content"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:text="Hello World!"
        app:layout_constraintBottom_toBottomOf="parent"
        app:layout_constraintEnd_toEndOf="parent"
        app:layout_constraintStart_toStartOf="parent"
        app:layout_constraintTop_toTopOf="parent" />

    <TextView
        android:id="@+id/tv_add"
        android:layout_width="wrap_content"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:text="Hello World!"
        app:layout_constraintBottom_toBottomOf="parent"
        app:layout_constraintEnd_toEndOf="parent"
        app:layout_constraintStart_toStartOf="parent"
        app:layout_constraintTop_toTopOf="parent"
        app:layout_constraintVertical_bias="0.554" />

    <TextView
        android:id="@+id/tv_sub"
        android:layout_width="wrap_content"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:text="Hello World!"
        app:layout_constraintBottom_toBottomOf="parent"
        app:layout_constraintEnd_toEndOf="parent"
        app:layout_constraintStart_toStartOf="parent"
        app:layout_constraintTop_toTopOf="parent"
        app:layout_constraintVertical_bias="0.639" />

    <TextView
        android:id="@+id/tv_mul"
        android:layout_width="wrap_content"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:text="Hello World!"
        app:layout_constraintBottom_toBottomOf="parent"
        app:layout_constraintEnd_toEndOf="parent"
        app:layout_constraintHorizontal_bias="0.502"
        app:layout_constraintStart_toStartOf="parent"
        app:layout_constraintTop_toTopOf="parent"
        app:layout_constraintVertical_bias="0.683" />

    <TextView
        android:id="@+id/tv_div"
        android:layout_width="wrap_content"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:text="Hello World!"
        app:layout_constraintBottom_toBottomOf="parent"
        app:layout_constraintEnd_toEndOf="parent"
        app:layout_constraintStart_toStartOf="parent"
        app:layout_constraintTop_toTopOf="parent"
        app:layout_constraintVertical_bias="0.744" />

</androidx.constraintlayout.widget.ConstraintLayout>

MainActivity.java测试代码：

    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);

        binding = ActivityMainBinding.inflate(getLayoutInflater());
        setContentView(binding.getRoot());

        calInit();

        // Example of a call to a native method
        TextView tv_add = binding.tvAdd;
        TextView tv_sub = binding.tvSub;
        TextView tv_mul = binding.tvMul;
        TextView tv_div = binding.tvDiv;

        double val = add(5,6);
        tv_add.setText(String.valueOf(val));
        val = sub(11,10);
        tv_sub.setText(String.valueOf(val));
        val = mul(11, 10);
        tv_mul.setText(String.valueOf(val));
        val = div(12,7);
        tv_div.setText(String.valueOf(val));


    }

自此一切准备工作完毕，Device Manager>Create device创建一个安卓虚拟机，这里指定系统为x86,API 24。

image-20240717114626543

创建成功后build run, 如果运行成功，虚拟机应该会打开一个app,里面是activity_main.xml上测试代码的输出结果。

image-20240717115620697

坑点记录

  1. android studio不能用的太新，一开始直接官网下的最新的android studio koala 2024.1来弄，结果发现网上很多教程（包括AI回答）都停留在安卓的老版本，很多项目设置找不到，ndk路径设置找不到（后来才知道谷歌2021年出于多余理由把ndk选项从AS中移除了），这个版本用的gradle 8.0，build.gradle一些cmake和ndk的设置放到上面根本build不了，寒。。。最后请了安卓同事给我弄了这个老版本，gradle7.4，build.gradle的一些设置缺失果然就没了。

  2. android.mk编译的第三方so库如果有引入c++_shared.so库，AS中cmake版本太低是不会识别编译选项的，届时运行会在Logcat上报找不到库的错误，而升级cmake的提示，在有中间文件生成时是不会提醒的。就因为这个不会提示，我从下午4点一直被硬控到第二天下午3点。

image-20240717120039386

image-20240717120055924

解决方法：Tools>SDK Manager>SDK Tools, 找到CMake, 下载3.19以上的版本，可勾选Show Package Details看到版本信息。

image-20240717112751480

参考

https://developer.android.com/ndk/guides/android_mk?hl=zh-cn

ndk-build官方使用说明

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