C/C++在Java、Android和Objective-C三大平台下实现混合编程

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Android和iOS开发都支持C++开发，可以一套代码多平台使用。同时C++难以反编译的特性也可以为Android开发带来代码的保密，另一native特性也可以提高代码的运行效率。

一、为什么使用C/C++

  • 便于移植，用C/C++写得库可以方便在其他的平台上再次使用。
  • 代码的保护，由于java层代码很容易被反编译，而C/C++库反汇难度较大。
  • 提高程序的执行效率，将要求高性能的应用逻辑使用C/C++开发，从而提高应用程序的执行效率。
  • 访问现有开源库，需要访问底层的API或引用一些只有C/C++的库。

二、开发工具介绍

尽管Android Studio可以同时编写C++和Java代码，写完就可以编译运行，但是对联想和错误提示并不是非常友好，个人建议C++的整体代码使用Visual Studio或Xcode编译开发，联想功能非常友好，编译速度很快，调试也非常方便。- Visual Studio（PC）

  • Xcode（Mac）
  • Android Studio（多平台）
  • eclipse（多平台）

三、第一行代码

1. 如何在Objective-C项目中使用C++；

在Objective-C使用C/C++非常简单，仅仅需要把.m后缀的文件改成.mm即可使用C++，我们通常不会把.mm的文件写到整个项目都有，而是设计一个接口，用来做两个语言之间的桥梁，他们之间的交互仅仅在这个接口。

要点：String类型转换

// 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);

记得要include相关的文件

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

2.在普通的JAVA项目中使用JNI编程

由于我是在MAC下办公，所以这里就介绍如何在MAC下进行JNI开发，在Windows平台下的Virtual Studio也很简单。

第一步：在Xcode下创建一个普通的C++项目

第二步：关联JavaVM的Framework

路径：

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

第三步：创建头文件，用于和Java交互 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：创建实现 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)
{
    // 调用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;
    //常见类型转换例子
    //String getInfo();
    //-> ()Ljava/lang/String;

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

}

第五步：编译生成JNI文件，按 ⌘+B (Product -> Build).

编译后文件 根据自己的电脑环境，查找编译后的文件，我的路径是

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

第六步：编写JNI接口

package cn.taoweiji.nativemodule;
/**
 * 包名和类名称一定要和前面的C++头文件对应
 * 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：调用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项目中使用NDK

Android的JNI开发，C++文件必须编写在独立的module里面，Java接口代码可以编写在app(module)，也可以和C++放在同一个module，通过gradle关联。详细代码请自行下载demo浏览

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"//用于解决__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'])
}

编写JNI接口

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

编写C++接口代码，JNI文件目录默认是module/src/main/jni，可以通过gradle配置改变

// 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;
}

调用

// 静态加载
static {
     System.loadLibrary("joyrun");
}
//调用
int result = NativeDemo.add(1,2);
Log.i("1+2=",String.valueOf(result));

四、NDK开发要点

编译文件分析

将NativeModule编译后生成的aar文件后缀改成.zip解压，可以发现里面有个jni文件，打开可以看到”armeabi”, “armeabi-v7a”, “x86”, “x86_64”, “arm64-v8a”等文件夹，再打开可以看到是以lib前缀的so格式文件，这就是编译后的native层文件，我们平常引用的第三方库（百度地图）也是要添加这些文件到我们的libs文件夹，不同的名称代表着不同平台相关的编译文件，市面上大多数的手机都是arm架构CPU，x86架构的手机几乎没人用（genymotion模拟器属于x86平台），所以我们通常发布APP不会考虑x86平台，仅仅添加armeabi文件即可，但是在开发过程中建议也添加x86的so文件，以方便我们在模拟器上运行。

运行库

Android平台带有一个微型的C运行库支持库，成为系统运行库。该运行库不支持一下特性：C标准库、异常支持、RTTI支持。NDK提供了用于补充系统运行库功能的一些额外的C++运行库。

C++运行库

C++异常支持

C++RTTI

C++标准库
系统库 No No No
GAbi++ No Yes No
STLport No Yes Yes
GNU STL Yes Yes Yes

STLportSTLport是一个开源的、多平台的C标准库实现。它提供一个C标准库头文件的完整集合以及对RTTI的支持。

GNU STLGNU标准C库，也叫libstdc-v3，是Android NDK最全面的标准C运行库。它是一个正在开发的、以实现ISO标准C库为目标的开源项目。

gradle配置

  • STL运行库引用
  • “armeabi”, “armeabi-v7a”, “x86”, “x86_64”, “arm64-v8a”等平台配置
  • C++输出logcat配置
  • 一个编译异常解决
  • 异常捕获
 // 生成so文件的名称
moduleName "joyrun"
// 引入STL标准库
stl "stlport_static"//gnustl_static
//用于解决__android_log_print
ldLibs "log"
abiFilters "armeabi", "armeabi-v7a", "x86", "x86_64", "arm64-v8a" //添加编译的平台
//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输出

#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");

类型转换

// 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 两个值 JNI_TRUE、JNI_FALSE

C++调用JAVA代码

//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)
{
    // 调用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);

    //常见类型转换例子
    //String getInfo();
    //-> ()Ljava/lang/String;
    //PackageInfo getPackageInfo(String packageName, int flags);
    //-> (Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;;
}

一键生成从JAVA到C++接口代码脚本

文件：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++面向对象及标准库入门

C++类定义

// 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 */

类方法的实现

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

对象创建及访问对象的成员

//对象创建
Demo d1;
Demo * d2 = new Demo;
// 运算符访问
d1.say();
// 指针访问
d2->say();
//静态函数访问
int result = Demo::add(1,2);
std::cout<<"1 + 2 = "<<result<<std::endl;

LIST链表

//include相关文件
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <list>
#include "Demo.hpp"
// 链表定义
std::list<Demo> * demos = new std::list<Demo>;
Demo * demo = new Demo;
demo->name = "Wiki";
demo->age = 24;
// 在后面插入数据
demos->push_back(*demo);
demo = new Demo;
demo->name = "Wiki2";
demo->age = 25;
// 在前面插入数据
demos->push_front(*demo);
// 顺序链表遍历
for (std::list<Demo>::iterator iter = demos->begin(); iter != demos->end(); ++iter) {
    iter->say();
}
// 反顺序链表遍历
for (std::list<Demo>::reverse_iterator iter = demos->rbegin(); iter != demos->rend(); ++iter) {
    iter->say();
}
// 获取指定位置元素
std::list<Demo>::iterator iter = demos->begin();
advance(iter, 1);
iter->say();

指针、引用和值

在C++中，函数可以用许多不同的方法传递参数，比如通过指针、引用或是直接传值。

// 通过指针
void handle1(Demo *p);
// 通过引用
void handle1(Demo& p);
// 通过值
void handle1(Demo *demo);

堆和栈的理解

  • 栈（stack）：由操作系统自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈；
  • 堆（heap）： 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收，分配方式倒是类似于链表。
  Demo d1;//栈
Demo * d2 = new Demo;//堆
char c; //栈上分配
char *p = new char[3]; //堆上分配，将地址赋给了p;

垃圾回收

new和C++ delete运算符用于动态分配和撤销内存的运算符，自己new出来的对象就要通过delete释放内存。

delete demos;

六、开发中常用的方法及注意事项（坑）

  • 时间戳获取方法。
  long time = time(0);
  • 注意so文件防盗用问题。
  • 尽量避免调用与平台有关的方法，避免移植带来问题。
  • JNI接口的包名不能带有下划线‘_’。

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