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1、Android系统之中间件的开发英蓓特培训中心2011.31谷风优质主要内容nAndroid中间件简介nJNI标准简介n如何实现JNIn源码下开发AndroidLed中间件nNDK开发AndroidLed中间件2谷风优质一Android中间件简介3谷风优质什么是Android中间件？n可以理解为操作系统与应用程序的沟通桥梁，处于Android系统架构中的第二层，包括：n函数层（Library）：函数层是一套C/C+库，既能通过JNI标准为上层应用提供本地函数接口，又能调用内核代码与操作系统交互，中间件的开发就是在这一层。n虚拟机（VirtualMachine）：虚拟机则为上层Java应用提供运
2、行环境。n绿色部分为函数层，黄色部分为虚拟机4谷风优质二JNI简介5谷风优质什么是JNI？JNI（JavaNativeInterface）是本地编程接口，它使得在Java虚拟机（VM）内部运行的Java代码能够与其它编程语言编写的应用程序和库进行交互操作。JNI一般有以下一些应用场景:高性能要求：如一些图形的处理，运算量非常大，直接使用java是不能胜任；调用驱动：如调用一些外部系统接口的驱动-读卡器的驱动，OCI驱动；使用大内存：如进程内Cache，远远超过VM所能分配的内存；调用系统服务：如java调用搜索服务，搜索是由C/C+实现的。6谷风优质AndroidJNI使用Android已实现
3、的JNI动态库，需要额外连接动态库libnativehelper.so对于开发者自己实现的JNI动态库*.so文件可以与Java应用一起打包到apk文件中。由于Android的应用层是以Java语言开发的，使用下层c/c+库提供的服务时需使用JNI在Android源码中，主要的JNI代码（C+源文件）放在以下的路径中：frameworks/base/core/jni/。被编译成动态库libandroid_runtime.so7谷风优质三如何实现JNI8谷风优质实现JNI需要三个方面Android源代码开发实现JNI与NDK下实现JNI有所不同，在源代码中需以下三点：1.在JNI文件中实现JNI
4、本地方法；2.在JNI文件中将本地方法注册到系统3.在java代码中声明JNI函数。9谷风优质JNI本地方法实现JNI方法的核心是JNINativeMethod结构体，这个结构体规定了JNI函数的相关描述信息，在jni.h中定义如下：typedefstructconstchar*name;/*JNI函数的名称*/constchar*signature;/*描述JNI函数的参数和返回值*/void*fnPtr;/*JNI函数对应的C语言的指针函数*/JNINativeMethod;这里值得注意的是JNINativeMethod的第二个成员，用字符串来表示JNI函数的参数和返回值10谷风优质Jav
5、a的类型的类型JNI的类型的类型对应字母对应字母Java布尔类型(boolean)jboolean(8位无符号)ZJava字节(byte)jbyte(8位有符号)BJava字符(char)jchar(16位无符号)CJava短整型(short)jshort(16位有符号)SJava整型(int)jint(32位有符号)IJava长整型(long)jlong(64位有符号)JJava单精度浮点(float)jfloat(IEEE754，32位)FJava双精度浮点(double)jdouble(IEEE754，64位)DJava对象jobjectLJava无返回值voidVJNI的数据类型及对应
6、字母例如：staticJNINativeMethodmethods=add,(II)I,(void*)add,;对照表可知JNI函数add的类型是”(II)I”,表示两个参数都是整型，返回值也为整型。11谷风优质方法数组的注册JNINativeMethod类型的数组，需要完成系统注册才能够使用。staticintregisterNativeMethods(JNIEnv*env,constchar*className，JNINativeMethod*gMethods,intnumMethods)staticintregisterNatives(JNIEnv*env)jintJNI_OnLoad(
7、JavaVM*vm,void*reserved)以上三个函数从下到上依次调用，分别为Java类、平台、虚拟机注册本地JNI方法。12谷风优质JNI函数的声明在Java代码中，定义的函数由JNI实现时，需要指定函数为native。System.loadLibrary(“”);载入由JNI源文件生成的动态库，“”里的内容为so文件名去掉前面的lib和后面的.so。例如加载libsimplejni.so动态库，“”里为simplejni。13谷风优质应用程序使用JNI可以通过源代码中/development/samples/SimpleJNI此例程来分析，目录结构如下：|-SimpleJNI|-jn
8、iJNI目录|-native.cppJNI源文件|-Android.mk脚本文件，向编译系统该如何编译cpp文件|-srcsrc目录，与Eclipse工程下的src相同|-Android.mk脚本文件，描述如何编译整个工程|-AndroidManifest配置文件，与Eclipse工程下的相同14谷风优质应用程序使用JNI分析顶层Android.mk文件LOCAL_PACKAGE_NAME:=SimpleJNI/生成PACKAGE的名字LOCAL_JNI_SHARED_LIBRARIES:=libsimplejni/生成JNI共享库的名字include$(BUILD_PACKAGE)/以生成A
9、PK的方式编译include$(callall-makefiles-under,$(LOCAL_PATH)/调用下层makefile15谷风优质应用程序使用JNI分析JNI目录下Android.mk文件LOCAL_SRC_FILES:=native.cpp/JNI的C+源文件include$(BUILD_SHARED_LIBRARY)/以共享库方式编译16谷风优质应用程序使用JNInative.cpp/定义JAVA方法addstaticjintadd(JNIEnv*env,jobjectthiz,jinta,jintb)/本地实现方法列表staticJNINativeMethodmethods
10、=add,(II)I,(void*)add,;/三个注册函数staticintregisterNativeMethods(JNIEnv*env,constchar*className,JNINativeMethod*gMethods,intnumMethods)staticintregisterNatives(JNIEnv*env)jintJNI_OnLoad(JavaVM*vm,void*reserved)17谷风优质应用程序使用JNISimpleJNI.javaclassNativestaticSystem.loadLibrary(simplejni);/载入由native.cpp生成的动
11、态库，全名是lib+simplejni+.ostaticnativeintadd(inta,intb);/声明动态库中实现的JNI函数add，供JAVA调用18谷风优质应用程序使用JNI编译SimpleJNI模块$ cd /usr/local/src/EMobile/EMB9G45/Android-2.1_r2$ souce build/envsetup.sh$ choosecombo 11sam9g45eng$ mmm development/samples/SimpleJNI在Android-2.1_r2/out/target/product/sam9g45/system/app得到Sim
12、pleJNI.apk安装到Android系统中运行.19谷风优质四源代码开发LED中间件20谷风优质开发要素中间件是操作系统与应用程序的沟通桥梁，所以除去应用级别的代码和Linux内核代码，其余的所有内容都是LED中间件开发所要关注的。1实现JNI，为上层Java应用程序提供函数接口。2实现本地C/C+代码，调用内核代码提供的LED驱动。21谷风优质LED中间件开发结构图红色部分为中间件开发内容1.上层应用调用JNI提供的native函数接口2.硬件抽象层根据设备驱动文件调用内核代码22谷风优质实现LED中间件的JNI方法在JNI的cpp源文件中要实现以下几种JNI方法，native函数就是提
13、供给Java代码的本地程序接口。open和close函数对应leds设备文件的打开与关闭，switch函数对应led的亮灭选择，get_state函数是获取led的当前状态：staticJNINativeMethodledsCtrlmethods=native_open,()I,(void*)android_emobile_LedDevice_open,native_close,()I,(void*)android_emobile_LedDevice_close,native_switch_on_off,(II)I,(void*)android_emobile_LedDevice_switch
14、_on_off,native_get_state,(I)I,(void*)android_emobile_LedDevice_get_state;23谷风优质实现LED中间件的JNI注册JNI的注册函数只需修改registerNatives函数中调用registerNativeMethods时的参数，参数className为自己定义的java类的路径classPathName，参数gMethods为自己JNI方法数组名ledsCtrlmethods，其余函数registerNativeMethods，JNI_OnLoad不变：staticintregisterNatives(JNIEnv*en
15、v)if(!registerNativeMethods(env,classPathName,ledsCtrlmethods,sizeof(ledsCtrlmethods)/sizeof(ledsCtrlmethods0)returnJNI_FALSE;returnJNI_TRUE;24谷风优质LED中间件JNI的声明JNI的声明在框架层java文件中，还要加载so文件，注意参数名为ledsctrl_jni,前面没有lib，后面没有.so：publicclassLedDevicestaticSystem.loadLibrary(ledsctrl_jni);/加载本地库publicstaticna
16、tiveintnative_open()/JNI的声明，注意native关键字publicstaticnativeintnative_close();publicstaticnativeintnative_switch_on_off(intnum,inton_off);/*/publicstaticnativeintnative_get_state(intnum);25谷风优质硬件抽象层LED中间件的最终目的是去控制开发平台上的灯D7、D8，所以JNI需要调用led硬件抽象层代码与内核通信，而不是像SimpleJNI那样把result返回给Java函数就结束了。led硬件抽象层头文件leds_
17、hal.h定义结构体：structleds_ctrl_dev_t/通过此结构体JNI调用硬件抽象层函数int(*open)(void);int(*close)(void);int(*switch_on_off)(intnum,intstate);int(*get_state)(intnum);structleds_ctrl_dev_t*get_leds_ctrl_dev(void);26谷风优质硬件抽象层硬件抽象层的c文件leds_hal.c定义结构成员get_leds_ctrl_dev：staticstructleds_ctrl_dev_tledsCtrlDevice=/定义结构体成员函数o
18、pen:leds_ctrl_open,close:leds_ctrl_close,switch_on_off :leds_ctrl_switch_on_off,get_state:leds_ctrl_get_leds_state;structleds_ctrl_dev_t*get_leds_ctrl_dev(void)return&ledsCtrlDevice;27谷风优质硬件抽象层JNI的cpp源文件通过包含头文件leds_hal.h，调用硬件抽象层open函数方法如下，其余函数调用也是如此。staticstructleds_ctrl_dev_t*ledsCtrlDev=NULL;stati
19、cjintandroid_emobile_LedDevice_open(JNIEnv*env,jclassclazz)ledsCtrlDev=get_leds_ctrl_dev();if(ledsCtrlDev=NULL)LOGD(get_leds_ctrl_devfailed!);return-1;returnledsCtrlDev-open();/JNI调用硬件抽象层open函数28谷风优质硬件抽象层最后便是硬件抽象层与Linux内核驱动的通信，需包含头文件sys/ioctl.h。应用程序的启动时相关函数通过层层调用到硬件抽象层的leds_ctrl_open()，当系统调用open(FIL
20、E_PATH,O_RDWR)时，操作系统会将文件系统对应路径为FILE_PATH的设备文件inode中的file_operations安装进用户进程的task_struct中的file_struct，然后再调用具体文件的file_operations中的open函数。其他操作close、ioctl也是如此。open(FILE_PATH,O_RDWR)是通过读、写方式（所以在访问设备节点前要修改设备节点的权限，改为可读可写）打开一个路径为FILE_PATH的设备，如果打开设备出错，返回值为-1，打开正确返回值为一个不小于0的文件描述符。后期的其他操作都是通过控制文件描述符来完成对设备的操作。29
21、谷风优质硬件抽象层硬件抽象层的switch和get_state函数直接调用设备驱动文件给出的ioctl函数接口即可与内核通信#defineFILE_PATH/dev/leds_ctrl“/设备节点staticintleds_ctrl_fd=-1;staticintleds_ctrl_open(void)leds_ctrl_fd=open(FILE_PATH,O_RDWR);/打开设备文件，获得文件描述符staticintleds_ctrl_close(void)/释放进程staticintleds_ctrl_switch_on_off(intnum,intstate)/根据设备文件的ioctl
22、函数定义switch函数/*ioctl控制参数LEDS_CTRL_IOC_*在leds_hal.h定义，应与设备文件定义控制参数的一致*/returnioctl(leds_ctrl_fd,state?LEDS_CTRL_IOC_LED6ON:LEDS_CTRL_IOC_LED6OFF,NULL);staticintleds_ctrl_get_leds_state(intnum)/根据设备文件的ioctl函数定义get_state函数30谷风优质编译运行例程例程Leds-ctrl复制到/usr/local/src/EMobile/EMB9G45/Android-2.1_r2/hardware下编
23、译：$ cd /usr/local/src/EMobile/EMB9G45/Android-2.1_r2$ souce build/envsetup.sh$ choosecombo 11sam9g45eng$ mmm hardware/Leds-ctrl编译结束后，在源码包Android-2.1_r2/out/target/product/sam9g45/system/app目录下生成LedsCtrl.apk文件在源码包Android-2.1_r2/out/target/product/sam9g45/system/lib目录下生成libleds_hal.so和libledsctrl_jni.
24、so文件。使用ADB工具安装，将上述的LedsCtrl.apk和libleds_hal.so文件拷贝到挂载的C盘目录下。进入windows，启动Android系统，连接usb到PC端，PC桌面点击开始-运行-cmd，进入dos界面，操作如下：cd c:adb install LedsCtrl.apkadb push libleds_hal.so /system/lib31谷风优质运行结果（1）进入应用程序，如右界面，点击按键固化或使用tftp服务启动挂载有/dev/leds_ctrl节点的Linux内核映像进入Android系统后还必须修改leds_ctrl节点的权限才能读写该文件。开发平台上
25、的D7、D8随按键亮灭将平台通过usb到PC端，PC桌面点击开始-运行-cmd，操作如下：adb shell# chmod 777 /dev/leds_crtl32谷风优质运行结果(2)另外，即使没有leds_ctrl节点也没有关系，我们可以通过在函数里添加一些debug信息，使用logcat命令打印调试信息，确认中间件的发开是否正确。将平台通过usb到PC端，PC桌面点击开始-运行-cmd，操作如下：adb shell# logcat 进入应用程序，点击应用界面的按钮，我们可以看到如图红框中的debug信息，例如启动应用程序过程，从java应用函数Open The mLedDevice开始依
26、次调用，直到HAL的function调用Linux drver function，因为没有对应的driver，所以最后显示mLedDevice open failed。另外两个红框里的信息分别对应按下Turn On/Off Led7和Get Led7 State后函数的调用过程。33谷风优质五NDK开发LED中间件34谷风优质NDK出现背景1.在AndroidSDK文档里，找不到任何JNI方面的帮助。2.即使第三方应用开发者使用JNI完成了自己的C动态链接库（so）开发，但是so如何和应用程序一起打包成apk并发布？这里面也存在技术障碍。NDK集成了交叉编译器，并提供了相应的mk文件隔离CPU
27、、平台、ABI等差异，开发人员只需要简单修改mk文件（指出“哪些文件需要编译”、“编译特性要求”等），就可以创建出so。NDK可以自动地将so和Java应用一起打包，极大地减轻了开发人员的打包工作。35谷风优质Cygwin安装由于NDK编译代码时必须要用到make和gcc，所以你必须先搭建一个linux环境，cygwin是一个在windows平台上运行的unix模拟环境。安装过程这里不做赘述，注意一点：为避免安装失败，在选择安装方式时，最好是下载好工具包使用本地全部安装。36谷风优质编译NDK例程现在我们用安装好的NDK来编译一个简单的程序，我们选择ndk自带的例子hello-jni。运行cy
28、gwin，操作如下：cd /cygdrive/d/android-ndk-r4/samples/hello-jni ././ndk-build第一条指令是通过cygdrive进入你windows下NDK工具包的hello-jni例程目录第二条指令是编译例程执行成功后，它会自动生成一个libs目录，并在目录下生成的.so文件。此时去hello-jni的libs目录下看有没有生成的.so文件，如果有，ndk就运行正常了。将整个hello-jni工程导入Eclipse，运行后在bin目录下生成将so和应用程序打包的APK文件。37谷风优质NDK下开发与源码开发差异1.JNI的实现更加简单，NDK下J
29、NI文件不需要去注册方法，只需要本地函数有标准的命名规则，例如一个本地函数在java文件被native声明如下：publicstaticnativeintopendevice();对应的JNI源文件中，只需这样定义函数即可，而并不需要前面实验中讲到的方法实现数组与注册函数：JNIEXPORTstaticjintJNICALLJava_com_android_emobile_LedDevice_opendevice(JNIEnv*env,jobjectobj)这里的命名规则为：类型：JNIEXPORTJNICALL函数名：Java_PackageName_ClassName_FunctionNa
30、mePackageName是包名，其中的“.”用“_”代替，如果包名中本身含有“_”字符，则用“_1”代替；ClassName是类名，同样如果类名中包含“_”，则用“_2”代替；FunctionName即为Java中用native声明的函数名。参数：JNIENV*env与jobjectobj为默认参数，必须得有。38谷风优质NDK下开发与源码开发差异2.因为JNI的函数只是靠命名规则识别，而不是方法实现与注册，JNI只能查找到Cstyle的Symbol，如果JNI是C+文件，则函数实现必须使用extern“C”来修饰：例如：externCJNIEXPORTstaticjintJNICALLJa
31、va_com_android_emobile_LedDevice_opendevice(JNIEnv*env,jobjectobj);3.此外在调用log的方式也不同：例如要使用LOGD函数，在源码编译下只需包含头文件#include而在NDK编译下则麻烦一些，在源文件中#include#defineLOGD(.)_android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG,keymatch,_VA_ARGS_)还得在脚本文件Android.mk编译对应文件处加上：LOCAL_LDLIBS:=-L$(SYSROOT)/usr/libllog39谷风优质NDK下开发与源码开发差异4.
32、NDK在实现双库更加简单，可以实现将硬件抽象层的函数编译成静态库.a文件并引用到JNI编译成的共享库.so里，那么在so打包进apk后，直接安装apk程序就可以运行起来。双库的实现需要编写对应的Android.mk脚本：LOCAL_PATH:=$(callmy-dir)#文件路径include$(CLEAR_VARS)#清除变量LOCAL_MODULE:=xxx1#静态库名LOCAL_SRC_FILES:=xxx1#编译成此库的源文件include$(BUILD_STATIC_LIBRARY)#编译成静态库include$(CLEAR_VARS)#清除变量LOCAL_MODULE:=xxx2#
33、共享库名LOCAL_SRC_FILES:=xxx2#编译成此库的源文件LOCAL_STATIC_LIBRARIES:=xxx1#引用静态库include$(BUILD_SHARED_LIBRARY)#编译成共享库40谷风优质创建NDK工程1）首先在ndk的samples目录下创建自己的工程ndk-projcet，然后在这个文件夹下，创建两个目录jni和src，jni用来放我们的c/c+文件，src是调用库的java接口文件。2）在jni目录下创建你的c/c+文件和Andriod.mk文件。文件参考上面的规则编写。3）前面讲过，在工程的src夹子下用来放置Java文件。我们打开Eclipse，然
34、后新建一个Android工程，工程路径选择我们创建的NDK的路径。这里需要注意的是，工程名，包名等，需要和上面的c文件中的保持一致。4）Eclipse工程建立好后，编辑src/ndk-projcet.java文件，注意用native声明JNI函数。5）建立好整个工程，再次编译，在cygwin中进入工程目录下运行././ndk-build这时应该可以看到生成lib目录，其下有so文件。6）在Eclipse选择执行方式为AndroidApplication，点击run，可以在虚拟机或者设备上运行这个程序了。并在工程目录下生成bin文件夹，里面有Andriod的应用安装文件apk。41谷风优质NDK下开发中间件按照上面的步骤创建一个LED中间件工程，各文件的函数内容与源码下开发中间件是一致的，在Eclipse下运行后。点击TurnONLED7和其他按键，实验现象与源码开发中间件工程现象是一样的，或者直接在Eclipse下DDMS的LogCat下观察，如图：42谷风优质ThankYou!43谷风优质
