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使用 CMake 进行Android NDK编译的原理

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介绍

Android Studio 2.2 及以后的版本默认使用CMake进行 NDK 编译, 其中最吸引人的地方是，在开发NDK程序时可以进行联机调试，这真是大在的方便了开发者开发NDK程序的效率了。 那么使用CMake编译NDK程序是否与我们之前介绍的使用ndk-build编译有很大的不同呢？下面我们就来一窥它的原理。

前面我给大家介绍了两种交叉编译的方式，没看过的同学可以浏览一下（ Linux/Mac 交叉编译 Android 程序 和 深入理解Android NDK编译(一) ）

什么是CMake

CMake是个开源的跨平台自动化建构系统，它用配置文件控制建构过程（build process）的方式和Unix的Make相似，只是CMake的配置文件取名为CMakeLists.txt。Cmake并不直接建构出最终的软件，而是产生标准的建构档（如Unix的Makefile或Windows Visual C++的projects/workspaces），然后再依一般的建构方式使用

“CMake”这个名字是"cross platform make"的缩写。虽然名字中含有"make"，但是CMake和Unix上常见的“make”系统是分开的，而且更为高级

Android Studio 如何使用 CMake

其实通过 CMake 进行 NDK 交叉编译的方式与我们之前介绍的两种方式的原理是相同的。 都是要先设定交叉编译各种工具的环境， 包括编译器、链接器等。 然后再通过自动化构建工具进行编译。

Android Studio在执行 CMake build 之前，会将需要的参数存放在 cmake_build_command.txt 文件中，针对每种ABI(arm, mips, x86等)及每种build类型(debug, release)，Android Studio都会拷贝一份 cmake_build_command.txt 到<project-root>/<module-root>/.externalNativeBuild/cmake/<build-type>/<ABI>/目录下。

我们来看一下在 cmake_build_command.txt 里都是些什么内容:

Executable : ~/Library/Android/sdk/cmake/3.6.3155560/bin/cmake
arguments : 
-H~/mytest/MyApplication/app
-B~/mytest/MyApplication/app/.externalNativeBuild/cmake/debug/arm64-v8a
-GAndroid Gradle - Ninja
-DANDROID_ABI=arm64-v8a
-DANDROID_NDK=~/Library/Android/sdk/ndk-bundle
-DCMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY=~/mytest/MyApplication/app/build/intermediates/cmake/debug/obj/arm64-v8a
-DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
-DCMAKE_MAKE_PROGRAM=~/Library/Android/sdk/cmake/3.6.3155560/bin/ninja
#下面这个参数特别重要
-DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=~/Library/Android/sdk/ndk-bundle/build/cmake/android.toolchain.cmake
-DANDROID_PLATFORM=android-21
-DCMAKE_CXX_FLAGS=-std=c++11 -frtti -fexceptions

Build Arguments	Description
-G < build-system >	<build-system> 一般设置为 “Android Gradle - Ninja” 它指明 CMake 使用 ninja build system 编译并链接C／C++ ，同时 CMake 还会产生android_gradle_build.json 文件，该文件包含了Gradle CMake 插件使用的信息，如编译参数，产生的目标名等。
-DANDROID_ABI < abi >	NDK 支持的 ABIs， 如 armeabi，armeabi-v7a，armeabi-v7a with NEON，arm64-v8a等。
-DANDROID_NDK < path >	NDK安装路径
-DCMAKE_LIBRARY_OUTPUT_DIRECTORY < path >	输出库的位置
-DCMAKE_BUILD_TYPE < type >	build 类型 release 或 debug
-DCMAKE_MAKE_PROGRAM < program-name >	启动 native build 系统的工具
-DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE < path >	CMake 用于交叉编译 Andriod配置文件的路径。它位于 $NDK/build/cmake/ directory 目录下。
-DANDROID_PLATFORM < level >	CMake 编译 Android API 级别

在这些参数里，-DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE 这个参数特别重要，因为 Android Stuido 在这个参数指定的文件里设置了交叉编译工具的环境变量，下面我们来大体看一下它流程：

207 ...... 

208 # ABI.
209 set(CMAKE_ANDROID_ARCH_ABI ${ANDROID_ABI})
210 if(ANDROID_ABI MATCHES "^armeabi(-v7a)?$")
211         set(ANDROID_SYSROOT_ABI arm)
212         set(ANDROID_TOOLCHAIN_NAME arm-linux-androideabi)
213         set(ANDROID_TOOLCHAIN_ROOT ${ANDROID_TOOLCHAIN_NAME})
214         set(ANDROID_HEADER_TRIPLE arm-linux-androideabi)
215         if(ANDROID_ABI STREQUAL armeabi)
216                 set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR armv5te)
217                 set(ANDROID_LLVM_TRIPLE armv5te-none-linux-androideabi)
218         elseif(ANDROID_ABI STREQUAL armeabi-v7a)
219                 set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR armv7-a)
220                 set(ANDROID_LLVM_TRIPLE armv7-none-linux-androideabi)
221         endif()
222
223   ......

android.toolchain.cmake 在第 208 行根据 cmake_build_command.txt 文件中ABI的值，设置 ANDROID_SYSROOT_ABI、ANDROID_TOOLCHAIN_NAME、ANDROID_TOOLCHAIN_ROOT等参数。 然后走到 318 行，设置 CMAKE_SYSROOT 值如下：

317  ......

318 # Sysroot.
319 if(ANDROID_DEPRECATED_HEADERS)
320         set(CMAKE_SYSROOT
321                 "${ANDROID_NDK}/platforms/${ANDROID_PLATFORM}/arch-${ANDROID_SYSROOT_ABI}")
322 else()
323         set(CMAKE_SYSROOT "${ANDROID_NDK}/sysroot")

324 ......

设置完 CMAKE_SYSROOT 走到 355 行，设置ANDROID_TOOLCHAIN_ROOT 和 C／C++ 编译器，代码如下：

354 ......

355 # Toolchain.
355 # 首先判断运行的宿主机是什么
356 if(CMAKE_HOST_SYSTEM_NAME STREQUAL Linux)
357         set(ANDROID_HOST_TAG linux-x86_64)
358 elseif(CMAKE_HOST_SYSTEM_NAME STREQUAL Darwin)
359         set(ANDROID_HOST_TAG darwin-x86_64)
360 elseif(CMAKE_HOST_SYSTEM_NAME STREQUAL Windows)
361         set(ANDROID_HOST_TAG windows-x86_64)
362 endif()

362 # 设置 ANDROID_TOOLCHAIN_ROOT 
363 set(ANDROID_TOOLCHAIN_ROOT "${ANDROID_NDK}/toolchains/${ANDROID_TOOLCHAIN_ROOT}-4.9/prebuilt/${ANDROID_HOST_TAG}")
364 set(ANDROID_TOOLCHAIN_PREFIX "${ANDROID_TOOLCHAIN_ROOT}/bin/${ANDROID_TOOLCHAIN_NAME}-")
365 ......
368 
369 set(ANDROID_HOST_PREBUILTS "${ANDROID_NDK}/prebuilt/${ANDROID_HOST_TAG}")
370 # 如果编译器是 clang
371 if(ANDROID_TOOLCHAIN STREQUAL clang)
372         set(ANDROID_LLVM_TOOLCHAIN_PREFIX "${ANDROID_NDK}/toolchains/llvm/prebuilt/${ANDROID_HOST_TAG}/bin/")
373         set(ANDROID_C_COMPILER   "${ANDROID_LLVM_TOOLCHAIN_PREFIX}clang${ANDROID_TOOLCHAIN_SUFFIX}")
374         set(ANDROID_CXX_COMPILER "${ANDROID_LLVM_TOOLCHAIN_PREFIX}clang++${ANDROID_TOOLCHAIN_SUFFIX}")
375         set(ANDROID_ASM_COMPILER "${ANDROID_LLVM_TOOLCHAIN_PREFIX}clang${ANDROID_TOOLCHAIN_SUFFIX}")
376         ......
396 # 如果编译器是 gcc
397 elseif(ANDROID_TOOLCHAIN STREQUAL gcc)
398         set(ANDROID_C_COMPILER   "${ANDROID_TOOLCHAIN_PREFIX}gcc${ANDROID_TOOLCHAIN_SUFFIX}")
399         set(ANDROID_CXX_COMPILER "${ANDROID_TOOLCHAIN_PREFIX}g++${ANDROID_TOOLCHAIN_SUFFIX}")
400         set(ANDROID_ASM_COMPILER "${ANDROID_TOOLCHAIN_PREFIX}gcc${ANDROID_TOOLCHAIN_SUFFIX}")

所以通过上面的分析我们可以了解到，Android Studio 通过cmake_build_command.txt指定的 android.toolchain.cmake 文件就把交叉编译的环境设置好了。

CMake NDK 编译过程

当我们在Android Studio中build我们的NDK工程时，AS会通过上面的步骤为我们设置好交叉编译环境，然后再将CMakelists.txt文件传给 CMake, CMake解析里面的内容，并最终调用不同平台的工具，编译出我们需要的目标环境程序。

小结

通过上面的分析，我们知道了 Android Studio 在开发 NDK 程序时，是如何使用 CMake Gradle plugin 设置交叉编译环境的，也基本了解了 CMake 编译 NDK 程序的基本流程。希望本篇文章可以帮助大家理解最新的 Andriod Studio 是如何使用 CMake进行交叉编译的。

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