NDK Android* 应用程序移植方法

概述

本指南旨在帮助开发者将现有的基于 ARM* 的 NDK 应用程序移植到 x86。如果您已经有一个可以运行的应用程序，并且需要了解如何让您的应用程序在 x86 设备上快速获得 Android* Market 的认可，本文档应能为您提供入门所需的信息。本指南还提供了在移植过程中遇到编译器问题时的技巧和指导。

Content

1. 概述
2. NDK 概述
   • 性能影响与 JNI 的开销
   • 获取 NDK
   • NDK 内部机制简述
     • Makefile
     • 命令行构建
     • 处理原生库文件
     • 运行时验证
   • 摘要
3. 移植概述
4. ARM* 到 x86 的移植技巧
   • 工具链兼容性
   • 内存对齐影响：ARM* vs. Intel® Atom™
   • 浮点数：ARM* vs. Intel® Atom™
   • 将 ARM* 的 NEON 指令移植到 Intel® SSE 以用于 Intel Atom™
     • 什么是 NEON？
     • SSE：Intel 的等效技术
     • NEON 与 SSE 在汇编层面的比较
     • NEON 与 SSE 在 C/C++ 层面的比较
5. 结论

NDK 概述

NDK 是一个强大的工具，可以将原生 x86 代码的强大功能与包装器 Android* 应用程序的图形界面结合起来。虽然该工具可用于在某些应用程序中获得性能优势，但需要谨慎，因为并非总是如此。

NDK 的目的是为开发者提供以下方面的帮助：

• 将原生 C/C++ 库编译成可在 Android* 包中使用（由包装的 Java* 代码调用）的库。
• 将 ARM* 原生库（库）重新编译为 x86（Intel® Atom™ 微架构），并在需要时进行移植。

第二点提到的可能只需要更改构建标志并重新编译即可，但有时并非如此简单。例如，如果原生库在 C 代码中包含内联汇编，则该代码不能简单地进行汇编并在两种不同架构上“按原样”工作；需要进行一些重写（请参阅讨论 ARM* NEON* 与 Intel SSE 的部分）。

性能影响与 JNI 的开销

连接 Android* Java* 代码与 NDK 预编译原生代码的接口称为 Java* Native Interface (JNI)。更多信息请参见：http://java.sun.com/docs/books/jni/。

上述链接是对 JNI 规范的广泛深入研究。为了获得更快速的概述，Wiki 页面已足够（如有疑问，请始终交叉引用规范以确保正确性）：http://en.wikipedia.org/wiki/Java_Native_Interface。

JNI 的开销很大，因此理想情况下，应用程序中 JNI 调用应保持最少。具体来说，在 Android* 应用程序中使用原生代码并不能保证性能提升！通常，在原生代码涉及 CPU 密集型操作（例如 SSE 指令的重度使用）的情况下，可以获得性能提升，但在其他情况下，例如，当应用程序只是为用户提供复杂的 Web 界面时，通过 JNI 使用原生代码可能会降低性能。关于何时应该使用 NDK 和何时不应该使用 NDK，没有“成文规则”，但这些观点提供了一些通用指南和注意事项。

获取 NDK

开发者可以在此处获取最新版本：https://developer.android.com.cn/sdk/ndk/index.html。从 NDK r6b 开始，NDK 可用于构建基于 ARM* 和 x86（Intel® Atom™ 微架构）的原生库。这为开发者提供了一个方便的、集成的原生代码移植包。

NDK 内部机制简述 Makefile

开发者将为项目创建一个 Android.mk makefile，并可选地创建一个 Application.mk 文件。Application.mk 文件用于描述您的应用程序所需的原生模块。Android.mk 文件用于控制模块（静态/共享库）的构建方式和构建来源。下面是一个简单的 Android.mk 文件的代码片段：

构建系统将前缀 `lib` 并生成名为 `libtest.so` 的库。`LOCAL_SRC_FILES`，顾名思义，是开发者提供项目源文件名称的地方。`LOCAL_LDLIBS` 和 `LOCAL_CFLAGS` 分别提供了指定链接标志和编译标志的选项。

命令行构建

在命令行中，这是一个指定构建目标为 x86 架构的示例：ndk-build APP_ABI=x86

有两种方法可以调用原生库：`System.loadLibrary("relative_path_and_name")` 和 `System.load("full_path_to_lib_file")`。前者更常用且更健壮。使用前者时，可以省略 Android.mk 文件中指定的库名称的 "lib" 部分。下面是一个此类调用的示例：

此外，在原生代码方面，开发者需要确保进入原生代码的入口方法具有正确的 `JNIEXPORT` 方法签名，而不是典型的 C/C++ 头文件。上述 JNI 链接提供了更多关于此的信息。

处理原生库文件

开发者可以选择在 Android* apk 包中提供原生库并在运行时引用它，或者提供库在 Android* 文件系统上的绝对路径。这取决于开发者的偏好，并应 accordingly 正确处理。

运行时验证

使用 `adb logcat` 命令，开发者可以确保目标原生库在运行时成功加载。这是一个描述原生库已加载的示例系统日志。请注意，这里提供了原生库文件的完整路径。

摘要

上述各部分提供了使用 NDK 的入门指南。要了解更详细的信息，请从 NDK 包附带的优秀文档开始。其中包含一些很棒的教程以及各种应用程序的示例源代码。

移植概述

对于大多数应用程序来说，将现有的 NDK 应用程序移植到 x86 应该非常直接。除非原生代码使用了 ARM*-特定的功能，否则移植应用程序应该就像重新编译、重新打包和重新发布一样简单。

以下将引导您完成将 NDK 应用程序移植到 x86 所需的步骤。

1. 获取最新的 NDK 工具。X86 支持首次在 android-ndk-r6 中添加，但仍存在一些问题，并很快得到修复。请确保您已从Android* NDK 网站下载并安装了最新版本（撰写本文时，最新版本是 android-ndk-r6b）。
2. 如果您有 `Application.mk` 文件，请编辑 `APP_ABI` 行以包含 `x86`。例如：
   
   APP_ABI := armeabi armeabi-v7a x86
   
   如果您没有使用 `Application.mk` 文件，请将 `x86` 添加到命令行构建中，下面是构建 NDK 示例应用程序之一的命令行和输出。
   $ ndk-build APP_ABI="armeabi armeabi-v7a x86"
   
   Install : test-libstl => libs/armeabi/test-libstl
   Install : test-libstl => libs/armeabi-v7a/test-libstl
   Install : test-libstl => libs/x86/test-libstl
3. 从上一步可以看出，在 `libs` 目录下创建了一个包含每个架构二进制文件的文件夹。下一步是重新打包 APK 以包含新的库。由于 `libs` 文件夹位于根项目文件夹下，用于创建 APK 的构建工具已经知道该文件夹中的二进制文件。在 Eclipse 中，只需重新构建项目 APK 即可包含新的 x86 二进制文件。命令行构建也是如此。以下是重新构建示例 hello-jni 的示例输出：
   
   $ android.bat update project --path C:/Tools/android-ndk-r6b/samples/hello-jni
   Updated local.properties
   Added file C:\Tools\android-ndk-r6b\samples\hello-jni\build.xml
   Added file C:\Tools\android-ndk-r6b\samples\hello-jni\proguard.cfg
   $ ant -f hello-jni/build.xml debug
   Buildfile: C:\Tools\android-ndk-r6b\samples\hello-jni\build.xml
   …
   debug
   [echo] Running zip align on final apk...
   [echo] Debug Package: android-ndk-r6b\samples\hello-jni\bin\HelloJni-debug.apk
   BUILD SUCCESSFUL
4. 就是这样，下一步是在 Intel 架构设备或 x86 模拟器上运行和测试。最后一步是验证所有二进制文件是否已正确打包，可以使用 zip 存档工具打开 APK 并确保二进制文件存在。这是 APK 结构中包含 x86 二进制文件时的屏幕截图。

ARM* 到 x86 的移植技巧

应用程序移植到 x86 应该很简单，但有可能在此过程中做出了一些假设，现在需要解决 Intel® Atom™ 和 ARM* 架构之间的差异。以下主题将讨论您可能遇到的一些潜在问题以及如何解决它们。

工具链兼容性

您的构建环境有可能直接使用工具链而不是使用 Android* 构建脚本。对于 ARM*，使用的路径是：

android-ndk\toolchains\arm-linux-androideabi-4.4.3
对于 x86，请使用路径：
android-ndk\toolchains\x86-4.4.3
有关更多信息，请参阅位于 `android-ndk/docs/STANDALONE-TOOLCHAIN.html` 的 NDK 文档。

内存对齐影响：ARM* vs. Intel® Atom™

在 ARM* 和 Intel® Atom™ 微架构之间移植 C/C++ 代码时，可能会出现内存对齐不匹配。以下文章提供了一个很好的例子：/en-us/blogs/2011/08/18/understanding-x86-vs-arm-memory-alignment-on-android。主要观点是，开发者应考虑在代码设计中显式强制数据对齐。否则，无法保证它能在不同平台上被正确处理。

浮点数：ARM vs. Intel® Atom™

当前编译 NDK 库时有三种支持的应用程序二进制接口 (ABI) 选项：

1. ‘armeabi’ – 默认选项，将创建针对 ARM* v5TE 设备的二进制文件。此目标的浮点运算使用软件浮点运算。使用此 ABI 创建的二进制文件将在所有 ARM* 设备上运行。
2. ‘armeabi-v7a’ – 创建支持 ARM* v7 设备并使用硬件 FPU 指令的二进制文件。
3. ‘x86’ – 生成用于支持 IA-32 指令集的二进制文件，包括基于硬件的浮点运算。

所有这些 ABI 选项都支持浮点运算，并且除非使用了 ARM*-特定的汇编指令，否则在将代码移植到 x86 时不应引起问题。一个优点是，如果您碰巧只为 ‘armeabi’ 编译并且现在支持 x86，您应该会发现大多数浮点运算的性能有所提升。

将 ARM* NEON* 指令移植到 Intel® SSE 以用于 Intel® Atom™

虽然本文无法涵盖所有方面，但下面提供的信息应能让您快速了解 Intel 架构和 ARM* 的 SIMD 扩展实现有何不同。通过这个概述，开发者将获得开始一些简单编码练习的工具。

什么是 NEON？

NEON* 是一项 ARM* 技术，主要用于多媒体（智能手机、高清电视等）应用程序。ARM* 文档指出，其基于 128 位 SIMD 引擎的技术是 ARM* Cortex*–A 系列的扩展，其性能比 ARM* v5 架构至少高 3 倍，比后续的 ARM* v6 至少高 2 倍。有关此技术的更多信息，请参见此处，以深入了解 NEON 和其他性能考虑因素：http://www.arm.com/products/processors/technologies/neon.php

核心思想是将寄存器“分块”作为一个向量，其中向量中的每个寄存器都是一个元素，其数据类型与其他元素匹配。然后，以跨通道的方式执行操作，使该方法称为打包 SIMD。

SSE：Intel 的等效技术

SSE 是 Intel 架构 (IA) 的流式 SIMD 扩展。Intel® Atom™ 目前支持 SSSE3（Supplemental Streaming SIMD Extensions 3）。Atom™ 不支持 SSE4.x。这同样是一个 128 位引擎，用于处理浮点数据的打包。执行模型始于 MMX 技术，而 SSx essentially 是取代 MMX 使用的新一代技术。有关更多信息，请查阅 Intel 的 IA-32 和 IA-64 软件开发者手册的“卷 1：基本架构”部分：http://www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-software-developer-manuals.html。当前，SSE 概述部分位于第 5.5 节。它提供了 SSE、SSE2、SSE3 和 SSSE3 的操作码。请注意，数据操作通常涉及打包的、基于精度的浮点值的操作，以及 XMM 寄存器之间或这些寄存器与内存之间的数据批量移动。XMM 寄存器本质上旨在取代 MMX 寄存器。

NEON 与 SSE 在汇编层面的比较

在使用上述 IA 软件开发者手册作为所有 SSE(x) 助记符的交叉引用时，鼓励开发者也查看此链接中的各种 SSE 汇编指令：http://neilkemp.us/src/sse_tutorial/sse_tutorial.html。

在该链接中，“目录”部分允许您直接跳转到代码示例，或先浏览一些背景信息。同样，ARM* 直接提供的以下手册提供了信息和小的 NEON* 汇编代码片段：/sites/default/files/m/b/4/c/DHT0002A_introducing_neon.pdf。请参阅 ARM* 文档中的第 1.4 节。

以下是在比较 NEON 和 SSE 汇编代码时需要注意的一些关键点（请注意，信息可能随时过时，并且根据 SIMD 技术和手头的应用程序编码问题，可能存在其他细微差别）：

字节序。Intel 仅支持小端字节序汇编，而 ARM* 支持大端或小端字节序（ARM* 是双端序）。在提供的代码示例中，ARM* 代码与 Intel 一样是小端字节序。但请注意，对于 ARM*，可能存在一些编译器影响。例如，使用 GCC* 为 ARM* 编译有标志 –mlittle-endian 和 –mbig-endian。此处获取更多信息：http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/ARM-Options.html

粒度。在上面引用的简单汇编代码示例中（再次说明，这并非详尽列出了开发者可能看到的 NEON 和 SSE 之间的所有差异），请比较 SSE（Intel）的 `ADDPS` 指令与 NEON 的 `VADD.ix`（例如：x = 8 或 16）。请注意，后者将一些粒度固定在要作为助记符引用的数据的一部分。

NEON 与 SSE 在 C/C++ 层面的比较

在将 C/C++ 代码从 NEON 移植到 SSE 时，可能会遇到许多 API 上的细微差别。请记住，这里的假设是不使用内联汇编，而是使用真正的 C/C++ 代码。

在更高级别的编程中看到的 NEON 和 SSE 之间的一个区别涉及处理大数据块（128 位）。本文提供了一个简短的此类移植练习示例：http://stackoverflow.com/questions/7203231/neon-vs-intel-sse-equivalence-of-certain-operations

结论

希望本指南能帮助您为将现有的基于 NDK 的应用程序移植到 x86 做准备。移植到 x86 可以让您的设备被一整类新的 Android* 设备下载、购买和使用。如果您在移植过程中遇到问题，请随时在此文章下评论，我们将很乐意为您提供帮助和解答问题。

相关文章与资源

• 在 Intel® Atom™ 平台上针对 Android* 媒体应用使用 SSE 指令的精细要点
• NDK Android* 应用程序移植方法
• Intel® 架构的 Android* NDK

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