C/C++在Java、Android和Objective-C三大平臺下實現混合程式設計

Wiki發表於2016-08-13
C++JavaAndroidObject程式設計

Android和iOS開發都支援C++開發，可以一套程式碼多平臺使用。同時C++難以反編譯的特性也可以為Android開發帶來程式碼的保密，另一native特性也可以提高程式碼的執行效率。

一、為什麼使用C/C++

  1. 便於移植，用C/C++寫得庫可以方便在其他的平臺上再次使用。
  2. 程式碼的保護，由於java層程式碼很容易被反編譯，而C/C++庫反匯難度較大。
  3. 提高程式的執行效率，將要求高效能的應用邏輯使用C/C++開發，從而提高應用程式的執行效率。
  4. 訪問現有開源庫，需要訪問底層的API或引用一些只有C/C++的庫。

二、開發工具介紹

儘管Android Studio可以同時編寫C++和Java程式碼，寫完就可以編譯執行，但是對聯想和錯誤提示並不是非常友好，個人建議C++的整體程式碼使用Visual Studio或Xcode編譯開發，聯想功能非常友好，編譯速度很快，除錯也非常方便。

  • Visual Studio（PC）
  • Xcode（Mac）
  • Android Studio（多平臺）
  • eclipse（多平臺）

三、第一行程式碼

1. 如何在Objective-C專案中使用C++；

在Objective-C使用C/C++非常簡單，僅僅需要把.m字尾的檔案改成.mm即可使用C++，我們通常不會把.mm的檔案寫到整個專案都有，而是設計一個介面，用來做兩個語言之間的橋樑，他們之間的互動僅僅在這個介面。

要點：String型別轉換

// Objective-C(NSString) -> C++(std::string)
NSString * ocString = @"Hello World,OC";
std::string cppString = [ocString UTF8String];
std::cout<<cppString<<std::endl;
// C++(std::string) -> Objective-C(NSString)
std::string  cppString2 = "Hello World,C++";
NSString *ocString2= [NSString stringWithCString:cppString2.c_str() encoding:[NSString defaultCStringEncoding]];
NSLog(@"%@",ocString2);

記得要include相關的檔案

#include <stdio.h>
#include <iostream>

2.在普通的JAVA專案中使用JNI程式設計

由於我是在MAC下辦公，所以這裡就介紹如何在MAC下進行JNI開發，在Windows平臺下的Virtual Studio也很簡單。

第一步：在Xcode下建立一個普通的C++專案

第二步：關聯JavaVM的Framework

路徑：

/System/Library/Frameworks/JavaVM.framework/Frameworks/JavaNativeFoundation.framework/

第三步：建立標頭檔案，用於和Java互動 cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo.h

#include <JavaVM/jni.h>
#ifndef _Included_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo
#define _Included_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
    JNIEXPORT jint JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_add
    (JNIEnv *, jclass, jint, jint);
    JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_say
    (JNIEnv *, jclass, jstring);
    JNIEXPORT jstring JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_getInfo
    (JNIEnv *, jclass);

    JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_nativeToJava
    (JNIEnv *, jclass, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

第四步：建立實現 NativeDemo.cpp

#include "cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo.h"
#include <string>
JNIEXPORT jint JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_add(JNIEnv *, jclass, jint param1, jint param2)
{
    jint result = param1 + param2;
    return result;
}
JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_say(JNIEnv *env, jclass, jstring param)
{
    // std::string -> jstring
    const char *param_char = env->GetStringUTFChars(param, NULL);
    std::string str = param_char;
}
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_getInfo(JNIEnv *env, jclass)
{
    // jstring -> std::string
    std::string str = "Hi,I am C++.";
    jstring result =  env->NewStringUTF(str.c_str());
    return result;
}
JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_nativeToJava(JNIEnv * env, jclass, jobject obj)
{
    // 呼叫Java方法
    jclass cls = env->FindClass("cn/taoweiji/nativemodule/NativeDemo");
    //int subtract(int param1, int param2) -> (II)I
    jmethodID mid = env->GetMethodID(cls, "subtract", "(II)I");
    int result = (int) env->CallIntMethod(obj, mid, 10, 2);
//    std::cout<<result<<std::endl;
    //常見型別轉換例子
    //String getInfo();
    //-> ()Ljava/lang/String;

    //PackageInfo getPackageInfo(String packageName, int flags);
    //-> (Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;;

}

第五步：編譯生成JNI檔案，按 ⌘+B (Product -> Build).

編譯後檔案

根據自己的電腦環境，查詢編譯後的檔案，我的路徑是

/Users/Wiki/Library/Developer/Xcode/DerivedData/DEMO_MAC_JNI-clxymnzifegyfaajsaattzgxqfbr/Build/Products/Debug/DEMO_MAC_JNI

第六步：編寫JNI介面

package cn.taoweiji.nativemodule;
/**
 * 包名和類名稱一定要和前面的C++標頭檔案對應
 * cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo.h
 */
public class NativeDemo {
    public static native int add(int param1, int param2);
    public static native void say(String name);
    public static native String getInfo();
    public static native void nativeToJava(NativeDemo nativeDemo);
    public int subtract(int param1, int param2) {
        System.out.println("NativeDemo:" + String.format("%s - %s = %s", param1, param2, param1 - param2));
        return param1 - param2;
    }
}

第七步：呼叫C++

public class Main {
    static {
        System.load("/Users/Wiki/Library/Developer/Xcode/DerivedData/DEMO_MAC_JNI-clxymnzifegyfaajsaattzgxqfbr/Build/Products/Debug/DEMO_MAC_JNI");
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
        int result = NativeDemo.add(1, 2);
        System.out.println("1+2=" + String.valueOf(result));
        NativeDemo.say("Hello,I am Java.");
        System.out.println("getInfo:" + NativeDemo.getInfo());
        NativeDemo.nativeToJava(new NativeDemo());
    }
}

3. 在ANDROID專案中使用NDK

Android的JNI開發，C++檔案必須編寫在獨立的module裡面，Java介面程式碼可以編寫在app(module)，也可以和C++放在同一個module，通過gradle關聯。詳細程式碼請自行下載demo瀏覽

gradle配置（NativeModule）
apply plugin: 'com.android.library'
android {
    compileSdkVersion 23
    buildToolsVersion "24.0.0 rc2"
    defaultConfig {
        minSdkVersion 14
        targetSdkVersion 23
        versionCode 1
        versionName "1.0"
    }
    buildTypes {
        release {
            minifyEnabled false
            proguardFiles getDefaultProguardFile('proguard-android.txt'), 'proguard-rules.pro'
            ndk {
                moduleName "joyrun"
                stl "stlport_static"
                ldLibs "log"//用於解決__android_log_print
                abiFilters "armeabi", "armeabi-v7a", "x86", "x86_64", "arm64-v8a"
                //add -fexceptions to allow throw error
                //add -w to "format not a string literal and no format arguments [-Werror=format-security"
                cFlags "-w -fexceptions"
            }
        }
    }
}
dependencies {
    compile fileTree(dir: 'libs', include: ['*.jar'])
}

編寫JNI介面

// NativeDemo.java
package cn.taoweiji.nativemodule;
public class NativeDemo {
    public static native int add(int param1, int param2);
}

編寫C++介面程式碼，JNI檔案目錄預設是module/src/main/jni，可以通過gradle配置改變

// cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo.h
#include <jni.h>
#ifndef _Included_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo
#define _Included_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo
 * Method:    add
 * Signature: (II)I
 */
JNIEXPORT jint JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_add(JNIEnv *, jclass, jint, jint);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif
// NativeDemo.cpp
#include "cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo.h"
JNIEXPORT jint JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_add(JNIEnv *, jclass, jint param1, jint param2)
{
    jint result = param1 + param2;
    return result;
}

呼叫

// 靜態載入
static {
     System.loadLibrary("joyrun");
}
//呼叫
int result = NativeDemo.add(1,2);
Log.i("1+2=",String.valueOf(result));

四、NDK開發要點

編譯檔案分析

將NativeModule編譯後生成的aar檔案字尾改成.zip解壓，可以發現裡面有個jni檔案，開啟可以看到”armeabi”, “armeabi-v7a”, “x86”, “x86_64”, “arm64-v8a”等資料夾，再開啟可以看到是以lib字首的so格式檔案，這就是編譯後的native層檔案，我們平常引用的第三方庫（百度地圖）也是要新增這些檔案到我們的libs資料夾，不同的名稱代表著不同平臺相關的編譯檔案，市面上大多數的手機都是arm架構CPU，x86架構的手機幾乎沒人用（genymotion模擬器屬於x86平臺），所以我們通常釋出APP不會考慮x86平臺，僅僅新增armeabi檔案即可，但是在開發過程中建議也新增x86的so檔案，以方便我們在模擬器上執行。

執行庫

Android平臺帶有一個微型的C執行庫支援庫，成為系統執行庫。該執行庫不支援一下特性：C標準庫、異常支援、RTTI支援。NDK提供了用於補充系統執行庫功能的一些額外的C++執行庫。

C++執行庫 C++異常支援 C++RTTI C++標準庫
系統庫 No No No
GAbi++ No Yes No
STLport No Yes Yes
GNU STL Yes Yes Yes
  1. STLportSTLport是一個開源的、多平臺的C標準庫實現。它提供一個C標準庫標頭檔案的完整集合以及對RTTI的支援。
  2. GNU STLGNU標準C庫，也叫libstdc-v3，是Android NDK最全面的標準C執行庫。它是一個正在開發的、以實現ISO標準C庫為目標的開源專案。

gradle配置

  1. STL執行庫引用
  2. “armeabi”, “armeabi-v7a”, “x86”, “x86_64”, “arm64-v8a”等平臺配置
  3. C++輸出logcat配置
  4. 一個編譯異常解決
  5. 異常捕獲 
    // 生成so檔案的名稱
moduleName "joyrun"
// 引入STL標準庫
stl "stlport_static"//gnustl_static
//用於解決__android_log_print
ldLibs "log"
abiFilters "armeabi", "armeabi-v7a", "x86", "x86_64", "arm64-v8a" //新增編譯的平臺
//add -fexceptions to allow throw error
//add -w to "format not a string literal and no format arguments [-Werror=format-security"
cFlags "-w -fexceptions"

LOGCAT輸出

#include <android/log.h>
#define LOGI(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, "tag_joyrun", __VA_ARGS__)
#define LOGE(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, "tag_joyrun", __VA_ARGS__)
LOGE("Hello Logcat");

型別轉換

// std::string -> jstring
std::string str = "Hello World";
jstring result =  env->NewStringUTF(str.c_str());
// jstring -> std::string
jstring param;
const char *param_char = env->GetStringUTFChars(param, NULL);
std::string str = param_char;
// jboolean 兩個值 JNI_TRUE、JNI_FALSE

C++呼叫JAVA程式碼

//Java

public static native void nativeToJava(NativeDemo nativeDemo);
public int subtract(int param1, int param2) {
Log.e("NativeDemo", String.format("%s - %s = %s", param1, param2, param1 - param2));
return param1 - param2;
}

//C++

JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_taoweiji_nativemodule_NativeDemo_nativeToJava(JNIEnv * env, jclass, jobject obj)
{
    // 呼叫Java方法
    jclass cls = env->FindClass("cn/taoweiji/nativemodule/NativeDemo");
    jmethodID mid = env->GetMethodID(cls, "subtract", "(II)I");
    int result = (int) env->CallIntMethod(obj, mid, 10, 2);

    //常見型別轉換例子
    //String getInfo();
    //-> ()Ljava/lang/String;
    //PackageInfo getPackageInfo(String packageName, int flags);
    //-> (Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;;
}

一鍵生成從JAVA到C++介面程式碼指令碼

檔案：autojavah.sh

#!/bin/sh
export ProjectPath=$(cd "../$(dirname "$1")"; pwd)
export TargetClassName="co.runner.app.jni.NativeDemo"
export SourceFile="${ProjectPath}/app/src/main/java"
export TargetPath="${ProjectPath}/jni-joyrun/src/main/jni"
cd "${SourceFile}"
javah -d ${TargetPath} -classpath "${SourceFile}" "${TargetClassName}"
echo -d ${TargetPath} -classpath "${SourceFile}" "${TargetClassName}"

五、C++物件導向及標準庫入門

C++類定義

// Demo.hpp
#ifndef Demo_hpp
#define Demo_hpp
#include <stdio.h>
#include <string>
class Demo{
public:
    std::string name;
    int age = 0;
    void say();
    static int add(int param1,int param2)
    {
        return param1 + param2;
    }
};
#endif /* Demo_hpp */

類方法的實現

// Demo.cpp
#include "Demo.hpp"
#include <iostream>
void Demo::say()
{
    std::cout<<"name = "<<name<<",age = "<<age<<std::endl;
}

物件建立及訪問物件的成員

//物件建立
Demo d1;
Demo * d2 = new Demo;
// 運算子訪問
d1.say();
// 指標訪問
d2->say();
//靜態函式訪問
int result = Demo::add(1,2);
std::cout<<"1 + 2 = "<<result<<std::endl;

LIST連結串列

//include相關檔案
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <list>
#include "Demo.hpp"
// 連結串列定義
std::list<Demo> * demos = new std::list<Demo>;
Demo * demo = new Demo;
demo->name = "Wiki";
demo->age = 24;
// 在後面插入資料
demos->push_back(*demo);
demo = new Demo;
demo->name = "Wiki2";
demo->age = 25;
// 在前面插入資料
demos->push_front(*demo);
// 順序連結串列遍歷
for (std::list<Demo>::iterator iter = demos->begin(); iter != demos->end(); ++iter) {
    iter->say();
}
// 反順序連結串列遍歷
for (std::list<Demo>::reverse_iterator iter = demos->rbegin(); iter != demos->rend(); ++iter) {
    iter->say();
}
// 獲取指定位置元素
std::list<Demo>::iterator iter = demos->begin();
advance(iter, 1);
iter->say();

指標、引用和值

在C++中，函式可以用許多不同的方法傳遞引數，比如通過指標、引用或是直接傳值。

// 通過指標
void handle1(Demo *p);
// 通過引用
void handle1(Demo& p);
// 通過值
void handle1(Demo *demo);

堆和棧的理解

  • 棧（stack）：由作業系統自動分配釋放 ，存放函式的引數值，區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧；
  • 堆（heap）： 一般由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收，分配方式倒是類似於連結串列。 
    Demo d1;//棧
Demo * d2 = new Demo;//堆
char c; //棧上分配
char *p = new char[3]; //堆上分配，將地址賦給了p;

垃圾回收

new和C++ delete運算子用於動態分配和撤銷記憶體的運算子，自己new出來的物件就要通過delete釋放記憶體。

delete demos;

六、開發中常用的方法及注意事項（坑）

  • 時間戳獲取方法。 
    long time = time(0);
  • 注意so檔案防盜用問題。
  • 儘量避免呼叫與平臺有關的方法，避免移植帶來問題。
  • JNI介面的包名不能帶有下劃線‘_’。

相關原始碼：

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