Java 作為一種編程語言，具有許多良好的功能，使其成為應(yīng)用程序開發(fā)的首選語言。它獨立于平臺（因為虛擬機(jī)執(zhí)行）、JIT 編譯、多線程支持以及為程序員提供的富有表現(xiàn)力的簡單語法。由于其與平臺無關(guān)的特性，Java 包可以跨 CPU 架構(gòu)移植，這使得庫開發(fā)變得更加容易，從而增強(qiáng)了插件、構(gòu)建工具和實用程序包的整體生態(tài)系統(tǒng)。
功能數(shù)量與性能之間恰好存在權(quán)衡。像匯編這樣的語言具有最少的內(nèi)存和執(zhí)行開銷，但從程序員的角度來看，其功能數(shù)量也最少。在層次結(jié)構(gòu)中向上移動，C 和 C++ 等語言提供了一組良好的功能，同時保持更接近底層硬件。在它們之上的是Java和Python等語言，它們選擇通過使用虛擬機(jī)來完全消除平臺依賴。用這些語言編寫的程序有巨大的開銷，但卻是開發(fā)人員的天堂。
JVM 現(xiàn)在可以訪問共享庫中公開的函數(shù)，并且操作系統(tǒng)根據(jù)需要執(zhí)行它們。
一、為什么有人在他們的 Android 項目中需要 C/C++ 支持？
正如我們上面的討論，在我們的系統(tǒng)中，性能比開發(fā)人員友好性更重要，這將我們的重點從 Java/Kotlin 轉(zhuǎn)移到了“原生語言”(C/C++)。讓我們通過一些示例來了解本機(jī)代碼的作用及其性能改進(jìn)，
- 圖形、渲染和交互：在 Jetpack Compose 等高級框架中，開發(fā)用戶界面并使其看起來有吸引力似乎是小菜一碟。在像素級別，需要進(jìn)行數(shù)千次計算來計算陰影的強(qiáng)度、閃電模式和物體的紋理。這些計算涉及大量使用線性代數(shù)結(jié)構(gòu)，例如向量和矩陣及其各自的運算。處理觸摸交互，包括處理移動屏幕上觸摸傳感器的原始坐標(biāo)，以及區(qū)分單擊、雙擊、拖動或滑動手勢，也需要大量計算。這些計算可以用更接近硬件的語言更好地執(zhí)行，從而可以執(zhí)行額外的優(yōu)化。
- 機(jī)器學(xué)習(xí)：C/C++ 的作用很容易理解，因為 PyTorch 和 TensorFlow 等流行框架的代碼庫的主要部分是用 C/C++ 編寫的。TensorFlow 使用用 C++ 編寫的操作，并提供包裝器（接口）來使用 Python 代碼中的這些操作。C++ 的采用是顯而易見的，作為線性代數(shù)運算的代碼庫，CUDA（用于并行處理）是多年前編寫的，并且已經(jīng)經(jīng)過多年的考驗。使用Python作為TensorFlow的接口之一，只是為了讓C/C++的東西看起來整潔，并且對于非編程用戶來說也很容易。
圖：TensorFlow 源代碼片段，顯示了 arg_max 操作的實現(xiàn)。圖片參考：作者截圖自GitHub上TensorFlow官方源代碼
許多此類系統(tǒng)在犧牲可讀性和其他一些因素的情況下維護(hù)性能。接下來，我們將簡短討論指令集架構(gòu) (ISA) 以及程序執(zhí)行如何隨著 CPU 架構(gòu)的變化而變化。
二、了解 C++ 如何集成到 Android 應(yīng)用程序中
圖 1：Android 應(yīng)用程序如何使用 C++ 源代碼的描述。
如上圖所示，描述了 Android 中 C/C++ 代碼的使用，其中存在兩個獨立的構(gòu)建過程，一個用于 C/C++ 代碼，另一個用于 Java/Kotlin 代碼。在本博客中，我們將重點關(guān)注 C/C++ 代碼構(gòu)建過程，并了解代碼如何與 JVM 通信以進(jìn)行函數(shù)調(diào)用。
我們首先簡要概述一下 C/C++ 和 Java 程序的編譯方式，主要強(qiáng)調(diào) C/C++ 編譯的平臺特定性。接下來，我們討論 JNI，它充當(dāng) C/C++ 和 Java 代碼之間的粘合劑。我們結(jié)束對 CMake、共享庫和 ABI 的討論，它們是構(gòu)建過程的最底層組件。
正如 Reddit 用戶建議的那樣
pjmlp，Android 不使用 JVM 在設(shè)備上運行應(yīng)用程序。它有自己的運行時，ART（Android RunTime）繼承了 Dalvik 及其自定義字節(jié)碼 DEX。
讓我們開始吧??
三、C++和Java程序的編譯
?? C++ 是一種編譯語言，源代碼被轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。可執(zhí)行文件包含源程序的二進(jìn)制版本、常量和庫代碼（如果需要）。
?? 該可執(zhí)行文件由操作系統(tǒng)的一個組件（稱為加載程序）解析，該組件為程序的執(zhí)行分配內(nèi)存并從可執(zhí)行文件中讀取指令。例如，如果一個hello-world C++ 程序是g++在 Ubuntu 上編譯的，那么它也可以在其他一些 Linux 發(fā)行版上運行，只要它們理解x86或x86_64指令集。
arm?? 移動設(shè)備在指令集上運行arm64，因此編譯的程序x86將無法工作，因為兩個可執(zhí)行文件都是用完全不同的語言編寫的（如加載程序所見）。
圖 2：C++ 和 Java 程序的編譯。Java 編譯器生成的類文件與平臺無關(guān)，而 C++ 編譯器（如 GCC）生成的可執(zhí)行文件（或共享庫）與平臺相關(guān)。Java類文件需要目標(biāo)機(jī)器上的JVM來執(zhí)行程序，而C++可執(zhí)行文件可以直接使用操作系統(tǒng)提供的鏈接器和加載器運行。
一個 Android 項目，包含四種不同平臺/架構(gòu)的庫。（作者截圖）
Android 設(shè)備主要可以在四種架構(gòu)上運行- arm64-v8a、armeabi-v7a和x86。x86_64該arm-架構(gòu)還適用于大多數(shù) Android 手機(jī)中使用的基于 ARM 的處理器，而x86-基于 ARM 的處理器則用于 Intel 或 AMD 處理器，例如 Windows 模擬器和 Chromebook。
3.1 Java
?? 如果您在某個時間點學(xué)習(xí)過 Java，視頻和博客中經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的一個顯著功能是平臺獨立性或構(gòu)建一次，隨處運行。Java 不是將源代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器相關(guān)的可執(zhí)行格式，而是將代碼轉(zhuǎn)換為中間表示 (IR)。
x86?? IR 與平臺無關(guān)，這意味著無論指令集有何arm差異，平臺上生成的 IR都是相同的。IR 由一個依賴于平臺的組件（稱為 Java 虛擬機(jī)）進(jìn)行解析，該組件從中讀取指令并在底層 CPU 上執(zhí)行它們。由于 JVM 一只手負(fù)責(zé) IR，另一只手負(fù)責(zé)機(jī)器的 CPU，因此它與平臺無關(guān)。
JVM 支持即時 (JIT) 編譯，與純解釋性語言相比，這種技術(shù)可以提供巨大的性能提升。
?? JVM 可以在幾乎所有 CPU 架構(gòu)上運行，并執(zhí)行在任何平臺上編寫的 Java 代碼（因為生成的 IR 與平臺無關(guān)），唯一的依賴項是我們需要在目標(biāo)計算機(jī)上安裝 JVM。
總而言之，Java 和 C++ 有不同的編譯策略，關(guān)鍵是 C++ 執(zhí)行依賴于體系結(jié)構(gòu)，因此如果我們嘗試將 C++ 與任何體系結(jié)構(gòu)中立的語言（如 Java）一起使用，我們需要確保 C++ 依賴關(guān)系尊重不同的編譯策略。他們將在其上運行的架構(gòu)。
3.2 Android ART 和 DEX 字節(jié)碼
Android 作為一個操作系統(tǒng)，并不使用標(biāo)準(zhǔn)的 JVM 來執(zhí)行 Java 代碼。打包的應(yīng)用程序 APK 包含 DEX 文件（類似于.class文件）以及本機(jī)代碼和資源。DEX 文件由操作系統(tǒng)提前（在執(zhí)行之前）編譯為本機(jī)可執(zhí)行代碼，當(dāng)用戶打開應(yīng)用程序時，可以快速實例化這些代碼。
四、使用 JNI 包裝 C++ 源代碼
JNI 或 Java 本機(jī)接口是一個允許 JVM 和本機(jī)代碼（C、C++ 或匯編代碼）之間輕松通信的框架。一般來說，它提供外部函數(shù)接口（FFI），允許用一種語言編寫的代碼與用另一種語言編寫的代碼進(jìn)行通信，通常是通過函數(shù)調(diào)用的方式。Java 源代碼可以搜索 C++ 模塊中存在的函數(shù)定義，這些函數(shù)被標(biāo)記為供 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將在 中具有等效的 Kotlin 函數(shù)MainActivity，
// Kotlin source file
external fun compute( message: String , length: Long ): String
在編譯時，JVM 需要找到我們在代碼中聲明的MainActivity.kt函數(shù)的定義。compute我們知道，定義包含在C++源文件中，那么我們?nèi)绾螌⑵涮峁┙oJava程序呢？我們編譯 C++ 代碼并將其打包為共享庫，JVM 將在其中搜索 JNI 函數(shù)的定義。
五、CMake和Android NDK
CMake和Android NDK在C/C++源代碼編譯中的作用
5.1 Android NDK 和工具鏈
我們在基于 Windows、macOS 或 Linux 的操作系統(tǒng)上開發(fā) Android 應(yīng)用程序。這些系統(tǒng)大多數(shù)沒有 Android 特定的 ARM 架構(gòu)，并且無法在 Android 設(shè)備上編譯代碼。那么我們?nèi)绾螢槭謾C(jī)使用的Android特定ARM架構(gòu)編譯代碼呢？
Android NDK 中存在的工具鏈概述。
我們使用 Android NDK（Android 本機(jī)開發(fā)套件），它提供編譯器和鏈接器來從x86甚至其他arm設(shè)備（Apple Silicon 或 Raspberry Pi）構(gòu)建 Android-ARM 庫和可執(zhí)行文件。在運行其他目標(biāo)（例如 Android-ARM）的系統(tǒng)上為其他目標(biāo)（例如 Android-ARM x86_64）構(gòu)建代碼的過程稱為交叉編譯。因此，在 Windows 計算機(jī)上，使用 Android NDK 的編譯器，我們可以為應(yīng)用程序構(gòu)建共享庫，該應(yīng)用程序可以在移動設(shè)備（即 ARM 設(shè)備）上完美運行。
Android NDK 中有一個CMAKE_TOOLCHAIN_FILE，它通知 CMake 使用哪個編譯器。正如維基百科所說，工具鏈?zhǔn)且唤M編程工具，用于執(zhí)行復(fù)雜的軟件開發(fā)任務(wù)或創(chuàng)建軟件產(chǎn)品，Android NDK為不同的Android API級別提供了各種工具鏈來構(gòu)建和編譯C/C++程序。
5.2 什么是 CMake？
g++如果我們要編譯一個簡單的 C++ hello-world 程序，我們將使用大多數(shù) Linux 發(fā)行版中預(yù)安裝的GNU編譯器，
g++ main.cpp -o main
?? 對于單個源文件，main.cpp單個命令即可完成工作。較大的代碼庫可能具有多個模塊和大量 C/C++ 源文件，這些文件必須編譯或構(gòu)建到共享/靜態(tài)庫中。此類代碼庫（其他 C++ 項目）的依賴關(guān)系需要很好地集成。如此龐大的代碼庫也需要大量的編譯時間。
??為了解決這些問題，Make可以使用GNU的工具，它提供了管理多個目標(biāo)、增量構(gòu)建、包含頭文件的能力以及支持多種語言的功能。因此，單個Make腳本將有效地執(zhí)行編譯，而不是運行多個命令進(jìn)行編譯。
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以獨立于編譯器的方法生成腳本，并具有自己的語法，允許開發(fā)人員添加依賴項、標(biāo)頭和其他必須在編譯時鏈接的庫。CMake 類似于 Gradle，因為兩者都是構(gòu)建系統(tǒng)。
六、共享庫和 ABI
?? C/C++ 代碼的編譯可以生成可執(zhí)行文件或庫，兩者都包含源代碼的二進(jìn)制表示形式。main可執(zhí)行文件具有其他詳細(xì)信息，例如執(zhí)行開始處的函數(shù)地址并遵循 ELF 格式。庫通過將庫與程序的目標(biāo)代碼鏈接來提供可由其他程序調(diào)用的函數(shù)。
Android 應(yīng)用程序中每個目標(biāo)架構(gòu)的 .so 庫
?? 在 Android 中，C/C++ 文件被編譯為共享庫，以.so（共享對象）擴(kuò)展名結(jié)尾。這些庫公開了我們在 (2) 中編寫的 JNI 函數(shù)，正如它們extern在原型中所標(biāo)記的那樣。JVM 可以查看.so文件的代碼并使用函數(shù)的二進(jìn)制代碼在設(shè)備上執(zhí)行它。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-839427.html
?? 這種發(fā)生在二進(jìn)制級別的源代碼和庫代碼之間的交互通常是通過應(yīng)用程序二進(jìn)制接口 (ABI) 發(fā)生的。相反，應(yīng)用程序編程接口 (API) 在編譯發(fā)生之前促進(jìn)源代碼級別的此類交互。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-839427.html
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