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Kotlin Android NDK开发

2022-12-093.2k 阅读

Kotlin Android NDK开发基础

1. 什么是NDK

Android NDK（Native Development Kit）是一套工具集，允许开发者使用C、C++等语言为Android应用编写部分原生代码。这在一些对性能要求极高的场景（如游戏开发、音视频处理、图像识别等）中非常有用。因为C和C++这类语言能够直接操作硬件资源，具有更高的执行效率，能够充分利用底层硬件的性能。

2. Kotlin与NDK结合的优势

Kotlin作为现代的Android开发语言，语法简洁、安全且互操作性强。与NDK结合后，开发者既可以利用Kotlin在Android应用层开发的便利性，如简洁的语法、与Java的无缝互操作，又能借助C++等语言在性能关键部分提升应用性能。例如，在一个图像处理应用中，使用Kotlin进行UI界面开发和业务逻辑编排，而在实际的图像算法处理部分，使用C++通过NDK实现，这样可以在保证开发效率的同时，满足高性能的需求。

3. 环境搭建

  • 安装NDK：在Android Studio中，可以通过SDK Manager来安装NDK。打开SDK Manager，在“SDK Tools”选项卡中找到“NDK (Side by Side)”，选择合适的版本进行安装。
  • 配置项目：在项目的build.gradle文件中，添加对NDK的支持。例如：
android {
    defaultConfig {
        // 配置NDK相关参数
        externalNativeBuild {
            cmake {
                // 设置生成的so库支持的CPU架构
                abiFilters 'armeabi-v7a', 'arm64-v8a'
            }
        }
    }
    externalNativeBuild {
        cmake {
            // 指定CMakeLists.txt文件的路径
            path file('src/main/cpp/CMakeLists.txt')
        }
    }
}
  • 创建C++源文件：在src/main/cpp目录下创建C++源文件，例如native-lib.cpp。这是我们编写原生代码的地方。

编写Kotlin与C++交互代码

1. 定义JNI接口

JNI（Java Native Interface）是Java和原生代码之间进行交互的标准接口。在Kotlin中调用C++代码，首先需要定义JNI接口。

  • 在Kotlin中定义外部函数声明：
external fun stringFromJNI(): String

这里使用external关键字声明了一个外部函数，该函数的实现将在C++中提供。

2. 实现JNI接口（C++部分）

在native-lib.cpp中实现上述JNI接口：

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

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

这里通过extern "C"来指定函数使用C语言的链接方式，以确保JNI能够正确找到函数。JNIEXPORT和JNICALL是JNI的宏定义，用于指定函数的导出类型和调用约定。JNIEnv提供了JNI的各种操作函数，jobject表示调用该函数的Java对象（这里在Kotlin中是MainActivity实例）。

3. 加载本地库

在Kotlin中，需要加载包含JNI实现的本地库。在MainActivity中添加如下代码：

class MainActivity : AppCompatActivity() {
    init {
        System.loadLibrary("native-lib")
    }
    //...
}

System.loadLibrary("native-lib")用于加载名为native-lib的本地库，这个库名需要与CMakeLists.txt中生成的库名一致。

使用CMake构建NDK项目

1. CMake简介

CMake是一个跨平台的构建工具，用于生成不同平台的Makefile或其他项目文件。在Android NDK开发中，CMake被广泛用于构建C++代码。

2. CMakeLists.txt文件配置

在src/main/cpp目录下的CMakeLists.txt文件中进行如下配置：

# 设置最低支持的CMake版本
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

# 添加一个库，名称为native-lib，类型为共享库，源文件为native-lib.cpp
add_library(
        native-lib
        SHARED
        native-lib.cpp)

# 找到log库，这是Android提供的日志库，用于在C++中输出日志
find_library(
        log-lib
        log)

# 将native-lib库与log-lib库进行链接
target_link_libraries(
        native-lib
        ${log-lib})

add_library用于定义要构建的库，find_library用于查找系统库，target_link_libraries用于将自定义库与系统库进行链接。

传递数据类型

1. 基本数据类型传递

  • 从Kotlin到C++传递基本数据类型：例如传递一个整数。在Kotlin中声明外部函数：
external fun addNumbers(a: Int, b: Int): Int

在C++中实现：

extern "C" JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_addNumbers(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */,
        jint a,
        jint b) {
    return a + b;
}

这里jint是JNI中表示Java int类型的C++类型。

  • 从C++到Kotlin返回基本数据类型：上述addNumbers函数就是一个返回基本数据类型int的例子。

2. 字符串传递

  • 从Kotlin传递字符串到C++：在Kotlin中：
external fun processString(str: String): String

在C++中：

extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_processString(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */,
        jstring str) {
    const char *cStr = env->GetStringUTFChars(str, nullptr);
    std::string result = "Processed: ";
    result += cStr;
    env->ReleaseStringUTFChars(str, cStr);
    return env->NewStringUTF(result.c_str());
}

GetStringUTFChars用于获取Java字符串的UTF - 8编码的C字符串，ReleaseStringUTFChars用于释放通过GetStringUTFChars获取的内存。

  • 从C++传递字符串到Kotlin：上述processString函数的返回值就是将处理后的字符串返回给Kotlin。

3. 数组传递

  • 从Kotlin传递数组到C++：以传递整数数组为例，在Kotlin中：
external fun sumArray(arr: IntArray): Int

在C++中：

extern "C" JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_sumArray(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */,
        jintArray arr) {
    jsize length = env->GetArrayLength(arr);
    jint *elements = env->GetIntArrayElements(arr, nullptr);
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < length; ++i) {
        sum += elements[i];
    }
    env->ReleaseIntArrayElements(arr, elements, 0);
    return sum;
}

GetArrayLength用于获取数组长度，GetIntArrayElements用于获取数组元素，ReleaseIntArrayElements用于释放数组元素的内存。

  • 从C++传递数组到Kotlin：例如返回一个整数数组。在Kotlin中：
external fun createArray(): IntArray

在C++中：

extern "C" JNIEXPORT jintArray JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_createArray(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */) {
    int data[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    jsize length = sizeof(data) / sizeof(data[0]);
    jintArray result = env->NewIntArray(length);
    env->SetIntArrayRegion(result, 0, length, data);
    return result;
}

NewIntArray用于创建一个新的Java整数数组，SetIntArrayRegion用于设置数组的内容。

面向对象编程与JNI

1. 访问Java对象的成员变量

在Kotlin中有一个简单的类：

class MyClass {
    var value: Int = 0
}

在C++中通过JNI访问其成员变量：

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_accessMyClass(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */) {
    jclass myClass = env->FindClass("com/example/myapplication/MyClass");
    if (myClass == nullptr) {
        return;
    }
    jfieldID fieldId = env->GetFieldID(myClass, "value", "I");
    jobject myObject = env->AllocObject(myClass);
    env->SetIntField(myObject, fieldId, 42);
    jint value = env->GetIntField(myObject, fieldId);
    env->DeleteLocalRef(myClass);
    env->DeleteLocalRef(myObject);
}

FindClass用于找到Java类，GetFieldID用于获取成员变量的ID，SetIntField和GetIntField用于设置和获取整形成员变量的值。

2. 调用Java对象的成员函数

在Kotlin的MyClass中添加一个成员函数：

class MyClass {
    var value: Int = 0
    fun multiplyByTwo(): Int {
        return value * 2
    }
}

在C++中调用该函数：

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_callMyClassMethod(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */) {
    jclass myClass = env->FindClass("com/example/myapplication/MyClass");
    if (myClass == nullptr) {
        return;
    }
    jmethodID methodId = env->GetMethodID(myClass, "multiplyByTwo", "()I");
    jobject myObject = env->AllocObject(myClass);
    jfieldID fieldId = env->GetFieldID(myClass, "value", "I");
    env->SetIntField(myObject, fieldId, 5);
    jint result = env->CallIntMethod(myObject, methodId);
    env->DeleteLocalRef(myClass);
    env->DeleteLocalRef(myObject);
}

GetMethodID用于获取成员函数的ID，CallIntMethod用于调用返回整数类型的成员函数。

性能优化

1. 减少JNI调用开销

JNI调用存在一定的开销，因为涉及到Java和C++运行时环境的切换。尽量减少JNI调用的次数，可以将多个相关的操作合并在一次JNI调用中。例如，不要在一个循环中多次调用JNI函数来处理数组元素，而是一次性将数组传递给C++，在C++中进行批量处理。

2. 使用高效的数据结构和算法

在C++部分，选择合适的数据结构和算法对于性能提升至关重要。例如，在处理大量数据时，使用std::vector可能比std::list更高效，因为std::vector具有更好的内存连续性，利于缓存命中。对于排序算法，在数据量较大时，快速排序可能比冒泡排序更合适。

3. 内存管理优化

  • 在C++中：要注意及时释放不再使用的内存，避免内存泄漏。例如，在使用new分配内存后，要记得使用delete进行释放。对于动态数组，可以使用std::unique_ptr或std::shared_ptr来自动管理内存。
  • 在JNI交互中：如前面提到的，在获取Java对象的相关资源（如字符串、数组等）后，要及时释放这些资源，防止内存泄漏。例如，使用GetStringUTFChars获取字符串后，要使用ReleaseStringUTFChars释放。

常见问题及解决方法

1. 找不到JNI函数

这通常是由于函数命名规则或链接问题导致的。确保JNI函数使用了正确的命名规则，即按照Java_包名_类名_函数名的格式命名，并且使用了extern "C"。另外，检查CMakeLists.txt中库的链接是否正确，确保生成的库能够被正确加载。

2. 数据类型转换错误

在JNI中进行数据类型转换时，要确保转换的正确性。例如，在获取Java字符串的C++表示时，要注意编码问题。如果在转换过程中出现错误，可能导致程序崩溃或数据错误。仔细检查GetStringUTFChars、ReleaseStringUTFChars等函数的使用，以及其他数据类型转换函数的参数和返回值。

3. 性能问题排查

如果发现应用性能不佳，可以使用Android Profiler等工具来分析性能瓶颈。在NDK部分，可以使用GDB等调试工具来分析C++代码的性能，查看是否存在耗时过长的函数或循环，进而进行针对性的优化。

通过以上对Kotlin Android NDK开发的详细介绍，从基础概念到实际的代码实现、性能优化以及常见问题解决，开发者可以全面掌握在Kotlin项目中使用NDK进行开发的技术，从而开发出高性能、功能强大的Android应用。无论是在游戏开发、多媒体处理还是其他对性能有要求的领域，Kotlin与NDK的结合都提供了一种有效的解决方案。