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第一个纯血鸿蒙应用（Napi开发-ArtTS调用C/C++）

article 2024/11/8 18:28:54

1.行业背景

纯血鸿蒙，即鸿蒙Next版已于2014年1月正式发版，鸿蒙生态设备数量已经突破10亿台，已经有超过15000+个应用和元服务上架。鸿蒙生态不只是移动设备这么简单，他打造的是一个1+8+n的全场景战略，真正做到了“万物互联”。最近较火的“云端一体化”计划，开发者只需要同一种开发语言写一套代码，不用关心云端部署、不用关心负载均衡、CPU、内存等性能瓶颈，将运维工作交给华为团队，且接口调用按调用次数收费，达到了“无运维、零浪费”的效果。

2.预研背景

近期公司有预研纯血鸿蒙应用层调用C/C++代码的需求，借此机会深入了解、学习鸿蒙生态。

本文会以一个《高仿Mac计算器》应用开发为案例，讲解鸿蒙应用的开发流程，重点讲解c++开发模块，主要讲述开发、编译、引用流程，而不是深入c/c++语法细节。

3.目标

鸿蒙开发作为一个全新的生态、要零基础看本文可能有点吃力，不过笔者尽量以通俗语言来描述，另外由于篇幅限制，本文不再从零讲解鸿蒙整体开发流程、ArtTS语法细节，重点讲解Napi开发流程。

学习本文后能达到的效果：

1.可以从0开发一个c/c++模块，并编译生成so包

2.借助DevEco Studio可将三方so包集成至项目里

4.Napi概述

4.1.简介

Node-API是用于封装JavaScript能力为Native插件的API，独立于底层JavaScript，并作为Node.js的一部分。

4.2.支持的能力

Node-API可以去除底层的JavaScript引擎的差异，提供一套稳定的接口。

HarmonyOS的Node-API组件对Node-API的接口进行了重新实现，底层对接了ArkJS等引擎。当前支持Node-API标准库中的部分接口。

4.3.交互及场景分析

交互方式

适用场景

本文是否包含

ArtTS直接调用C/C++

native和ArtTS源码在一块，均从零混合开发

是

C/C++调用ArtTS

通常用于防逆向、加大逆向难度

否

ArtTS调用so包间接调用C/C++

将C/C++编译为so包作为类似STL，可供甲方调用

是

C/C++Native层调用so包

用户C/C++有二次开发封装的场景，例如基于so包二次封装

否

4.4.当前支持的Node-API标准库接口

5.开发环境

5.1.开发工具

5.1.1.DevEco Studio版本

Build Version: 5.0.3.900, built on October 8, 2024

5.1.2.SDK版本

HarmonyOS NEXT Beta1 SDK, based on OpenHarmony SDK Ohos_sdk_public 5.0.0.71 (API Version 12 Release)

5.1.3.项目模型

选择stage模型

拓展：

HarmonyOS先后提供了两种应用模型

  • FA（Feature Ability）模型：HarmonyOS早期版本开始支持的模型，已经不再主推。
  • Stage模型：HarmonyOS 3.1版本开始新增的模型，是目前主推且会长期演进的模型。

5.1.4.技术栈

5.1.4.1.界面搭建

基于声明式UI-ArtUI

演变过程：JavaScript =>TypeScript => ArtTs =>ArtUI

感兴趣的小伙伴可以基于演变历史补充下营养

5.1.4.2.算法逻辑

四则运算基于c/c++语法

5.1.4.3.NDK胶水语言

NAPI作为ArtTs相互调用C/C++的粘合剂，本质上也是C/C++实现的，需要深入学习了解其api

5.1.4.4.编译工具链

CMake编译工具，C/C++代码通过CMake编译工具编译成动态链接库so文件，使用index.d.ts文件对外提供接口，ArkTS引入so文件后调用其中的接口。

6.效果图

6.1.MacOS原版计算器效果

6.2.高仿MacOS计算器效果图

6.3.Gif动图展示

7.项目结构

项目结构交复杂，本文只简明扼要的列举用到的地方，所谓“用”有两方面的意思，要么基于之前的配置进行修改，一般为配置文件；要么创建新文件，一般为开发代码文件。

7.1.so包module

|─CDemo                                // 项目根目录
├──app/src/main                        // 代码区  
│  │
│  ├──cpp                              // C/C++代码区
│  │  ├──CMakeLists.txt                // CMake编译配置文件
│  │  ├──napi_init.cpp                 // napi代码
│  │  ├──utils
│  │  │  └──calculator.h               // C++头文件，用于函数、变量定义
│  │  │  └──calculator.cpp             // C++文件，用户逻辑实现
│  │  └──types                         // ArtTS层
│  │     └──libapp                     // ArtTS层识别的接口存放文件夹
│  │        ├──index.d.ts              // ArtTS层识别的接口文件
│  │        └──oh-package.json5        // 接口注册配置文件
│  ├──ets                              // ArtTS代码区
│  │  ├──entryability                  // 能力包
│  │  ├──EntryAbility.ets              // 程序入口类
│  │  ├──pages                         // 界面包
│  │  └──Index.ets                     // 主界面
│  ├──resources                        // 资源文件目录
│  └──module.json5                     // 模块级配置文件
└──app/build-profile.json5             // 项目构建文件

7.2.宿主module

|─Calculator                           // 项目根目录
├app                                   // 代码区
├──libs                                // 本地三方库
│  └──arm64-v8a                        // arm64-v8a包
│  └──────libapp.so                    // arm64-v8a架构so能力包
│  └──x86_64                           // x86_64包
│  └──────libapp.so                    // x86_64架构so能力包
├──src/main                            // 代码区  
│  └──ets                              // ArtTS代码区
│     ├──entryability                  // 能力包
│     │  └──EntryAbility.ets           // 程序入口类
│     └──pages                         // 界面包
│        └──Index.ets                  // 主界面
└──────────────────resources           // 资源文件目录
└──────────────────module.json5        // 模块级配置文件

8.so包module开发步骤

8.1.C/C++代码算法逻辑编写

文件放到app/src/main/cpp目录下：

/**
 * 加法运算
 */
double add(double param1, double param2);
/**
 * 减法运算
 */
double sub(double param1, double param2);
/**
 * 乘法运算
 */
double mul(double param1, double param2);
/**
 * 除法运算
 */
double div(double param1, double param2);
/**
 * 取反运算
 */
double oppo(double param);

#include "calculator.h"
double add(double param1, double param2) { 
    return param1 + param2; 
}

double sub(double param1, double param2) { 
    return param1 - param2; 
}

double mul(double param1, double param2) { 
    return param1 * param2; 
}

double div(double param1, double param2) {
    if (param2 == 0) {
        return 0;
    }
    return param1 / param2;
}

double oppo(double param) { 
    return -param; 
}

8.2.CMake文件编写

这个文件是创建Native项目的时候自动生成的，我们一般情况下仅仅需要改动两个地方：

#add_library

#target_link_libraries

# CMAKE 的最小版本号
cmake_minimum_required(VERSION 3.5.0)
# 项目名
project(Calculator)
# 设置编译参数
set(NATIVERENDER_ROOT_PATH ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR})

if(DEFINED PACKAGE_FIND_FILE)
    include(${PACKAGE_FIND_FILE})
endif()
# 指定目标include目录路径
include_directories(${NATIVERENDER_ROOT_PATH}
                    ${NATIVERENDER_ROOT_PATH}/include)
                    
# 指定C/C++源码目录路径，此路径是相对于CmakeLists.txt的路径，同时注意有多个源文件要用空格或换行符隔开
add_library(app SHARED
            napi_init.cpp
            utils/calculator.h
            utils/calculator.cpp)
# 指定C/C++生成的动态链接的库名字
target_link_libraries(app PUBLIC libace_napi.z.so)

8.3.Napi代码编写

// 引入Napi模块
#include "napi/native_api.h"
// 引入自定义头文件
#include "./utils/calculator.h"
/**
 * 获取 ArtTs层 function(double a,double b)签名函数的参数
 * @param env ArtTS层环境
 * @param info ArtTS层方法信息
 * @param param0 参数1地址
 * @param param1 参数2地址
 */
static void getTwoDoubleParams(napi_env env, napi_callback_info info, double *param0, double *param1) {
    size_t argc = 2;
    napi_value args[2] = {nullptr};

    napi_get_cb_info(env, info, &argc, args, nullptr, nullptr);

    napi_valuetype valuetype0;
    napi_typeof(env, args[0], &valuetype0);

    napi_valuetype valuetype1;
    napi_typeof(env, args[1], &valuetype1);

    double value0;
    napi_get_value_double(env, args[0], &value0);
    *param0 = value0;
    double value1;
    napi_get_value_double(env, args[1], &value1);
    *param1 = value1;
}
/**
 * 加法运算翻译
 *
 * @param env
 * @param info
 * @return
 */
static napi_value Add(napi_env env, napi_callback_info info) {
    double value0 = 0, value1 = 0;
    getTwoDoubleParams(env, info, &value0, &value1);
    napi_value sum;
    napi_create_double(env, add(value0, value1), &sum);
    return sum;
}

/**
 * 减法运算翻译
 *
 * @param env
 * @param info
 * @return
 */
static napi_value NAPI_Global_sub(napi_env env, napi_callback_info info) {
    double value0 = 0, value1 = 0;
    getTwoDoubleParams(env, info, &value0, &value1);
    napi_value sum;
    napi_create_double(env, sub(value0, value1), &sum);
    return sum;
}
/**
 * 乘法运算翻译
 *
 * @param env
 * @param info
 * @return
 */
static napi_value NAPI_Global_mul(napi_env env, napi_callback_info info) {
    double value0 = 0, value1 = 0;
    getTwoDoubleParams(env, info, &value0, &value1);
    napi_value sum;
    napi_create_double(env, mul(value0, value1), &sum);
    return sum;
}
/**
 * 除法运算翻译
 *
 * @param env
 * @param info
 * @return
 */
static napi_value NAPI_Global_div(napi_env env, napi_callback_info info) {
    double value0 = 0, value1 = 0;
    getTwoDoubleParams(env, info, &value0, &value1);
    napi_value sum;
    napi_create_double(env, div(value0, value1), &sum);
    return sum;
}
/**
 * 取反运算翻译
 *
 * @param env
 * @param info
 * @return
 */
static napi_value NAPI_Global_oppo(napi_env env, napi_callback_info info) {

    size_t argc = 1;
    napi_value args[1] = {nullptr};

    napi_get_cb_info(env, info, &argc, args, nullptr, nullptr);

    napi_valuetype valuetype0;
    napi_typeof(env, args[0], &valuetype0);

    double value0;
    napi_get_value_double(env, args[0], &value0);

    napi_value sum;
    napi_create_double(env, oppo(value0), &sum);

    return sum;
}

/**
 * 初始化函数，用于设置模块导出的内容
 *
 * @param env
 * @param exports
 * @return
 */
EXTERN_C_START // 宏定义，用于在 C++ 代码中标记需要以 C 语言方式编译的代码块。比extern "C"更灵活
static napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
    // 定义要导出的属性/方法
    napi_property_descriptor desc[] = {
        {"add", nullptr, Add, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr},
        {"sub", nullptr, NAPI_Global_sub, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr},
        {"mul", nullptr, NAPI_Global_mul, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr},
        {"div", nullptr, NAPI_Global_div, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr},
        {"oppo", nullptr, NAPI_Global_oppo, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr}};
    // 将属性添加到导出对象中
    napi_define_properties(env, exports, sizeof(desc) / sizeof(desc[0]), desc);
    return exports;
}
EXTERN_C_END

/**
 * 定义模块结构体
 */
static napi_module demoModule = {
    .nm_version = 1,        // 模块版本号
    .nm_flags = 0,         // 模块标志，默认为0
    .nm_filename = nullptr, // 模块文件名，通常不需要
    .nm_register_func = Init, // 注册函数，指向上面的Init函数
    .nm_modname = "app",   // 模块名称，这将是JS中引入模块时使用的名称
    .nm_priv = ((void *)0), // 私有数据，这里未使用
    .reserved = { 0 }       // 保留字段，用于未来扩展
};
// 告诉编译器："这部分代码要用 C 的方式来处理，不要用 C++ 的方式"
extern "C" __attribute__((constructor)) void RegisterAppModule(void) { napi_module_register(&demoModule); }

备注napi_property_descriptor结构体说明：

typedef struct napi_property_descriptor {
    const char* utf8name;         // 属性名称（UTF8字符串）
    napi_value name;             // 属性名称（napi_value类型）
    napi_callback method;        // 方法回调
    napi_callback getter;        // getter回调
    napi_callback setter;        // setter回调
    napi_value value;           // 静态属性值
    napi_property_attributes attributes; // 属性特性
    void* data;                 // 用户数据
} napi_property_descriptor;

代码层面流程是这样的：

  1. 冷启动时系统首先会自动执行#RegisterModule函数
  2. #RegisterModule函数将结构体demoModule注册到 Node-API系统
  3. 结构体demoModule初始化时会调用 Init函数
  4. Init 函数设置模块的导出内容
  5. 这样以后ArtTS就可以调用Native方法了

8.4.暴露给ArtTS接口编写

export const add: (a: number, b: number) => number;

export const sub: (a: number, b: number) => number;

export const mul: (a: number, b: number) => number;

export const div: (a: number, b: number) => number;

export const oppo: (a: number) => number

8.5.配置oh-package.json5

{
  // so包名称
  "name": "libapp.so",
  //Index.d.ts文件路径
  "types": "./Index.d.ts",
  "version": "1.0.0",
  "description": "Please describe the basic information."
}

8.6.配置build-profile.json5

默认产出的so包仅为arm64-v8a架构，如果要支持其他架构需要配置build-profile.json5文件

{
  "apiType": "stageMode",
  "buildOption": {
    "externalNativeOptions": {
      "abiFilters": ["arm64-v8a", "x86_64"],
      ...

8.7.导出so包

代码及配置文件编写完成，执行Build->Build Hap(s)/App(s)->Build Hap(s)

build完成后对应的so包会在此目录下：

|─CDemo                                        // 项目根目录
├app/build/default/intermediates/libs/default  // 代码区                               // 本地三方库
│  └──arm64-v8a                                // arm64-v8a包
│  └──────libapp.so                            // arm64-v8a架构so能力包
│  └──x86_64                                   // x86_64包
│  └──────libapp.so                            // x86_64架构so能力包

8.8.编写C/C++模块标准接口文档

此步是为了方便二次开发者开发。

9.宿主开发步骤

相比于繁琐的so包开发，宿主即引用方开发起来较简单，它的工作主要在计算器界面搭建

9.1.引入so包

将libapp.so包导入到如下目录

|─Calculator                           // 项目根目录
├app                                   // 代码区
├──libs                                // 本地三方库
│  └──arm64-v8a                        // arm64-v8a包
│  └──────libapp.so                    // arm64-v8a架构so能力包
│  └──x86_64                           // x86_64包
│  └──────libapp.so                    // x86_64架构so能力包

在对应的ets文件中直接导包并调用api即可

import napi from 'libapp.so';
napi.add(1,2);
...

值得注意的是：

  1. import napi from 'libapp.so';当前代码会飘红，编译器无法识别so包，但是实际上不影响编译打包运行
  2. libapp.so包里的函数不会提示，如果让甲方调用建议输出标准接口文档

9.2.界面搭建及交互调用

基于ArtUI的声明式UI开发，这里只列举核心代码：

import { hilog } from '@kit.PerformanceAnalysisKit';
import napi from 'libapp.so';

const INPUT_MAX: number = 10
const RESULT_MAX: number = 12

@Entry
@Component
struct Index {
  @State result: string = '0'
  array: string[] = []

  build() {
    Column() {
      Grid() {
        GridItem() {
          Text(this.result + '')
            .screenTextStyle()
        }.columnStart(0).columnEnd(3)

        GridItem() {
          Button('AC', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.result = '0'
              this.array = []
            })
        }

        GridItem() {
          Button('+/-', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              try {
                if (this.array.length == 0) {
                  return
                }
                this.result = napi.oppo(this.getNumber(this.result)).toString()
                console.info("message is" + this.getNumber(this.result))
                if (this.array.length > 0 &&
                  (this.array[this.array.length-1].match(/^\d+$/) || this.array[this.array.length-1].match(/^-\d+$/))) {
                  this.array[this.array.length-1] = this.result
                }
              } catch (e) {
                console.error("类型转换错误！")
              }

            })
        }

        GridItem() {
          Button('%', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.array.push(this.result.toString())
            })
        }

        GridItem() {
          Button('÷', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle('#ffff9f0a')
            .onClick(() => {
              if (this.array.length == 0) {
                return
              }
              if (this.isSignal(this.array[this.array.length-1])) {
                this.array.pop()
              }
              this.array.push('÷')
            })
        }

        GridItem() {
          Button('7', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .backgroundColor('#ff716768')
            .onClick(() => {
              this.processNumber(7)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('8', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(8)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('9', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(9)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('×', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle('#ffff9f0a')
            .onClick(() => {
              if (this.array.length == 0) {
                return
              }
              if (this.isSignal(this.array[this.array.length-1])) {
                this.array.pop()
              }
              this.array.push('×')
            })
        }

        GridItem() {
          Button('4', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(4)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('5', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(5)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('6', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(6)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('-', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle('#ffff9f0a')
            .onClick(() => {
              if (this.array.length == 0) {
                return
              }
              if (this.isSignal(this.array[this.array.length-1])) {
                this.array.pop()
              }
              this.array.push('-')
            })
        }

        GridItem() {
          Button('1', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(1)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('2', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(2)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('3', {
            type: ButtonType.Normal
          })
            .buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(3)
            })
        }

        GridItem() {
          Button('+', {
            type: ButtonType.Normal
          }).buttonTextStyle('#ffff9f0a')
            .onClick(() => {
              if (this.array.length == 0) {
                return
              }
              if (this.isSignal(this.array[this.array.length-1])) {
                this.array.pop()
              }
              this.array.push('+')
            })
        }

        GridItem() {
          Button('0', {
            type: ButtonType.Normal
          }).buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              this.processNumber(0)
            })
        }.columnStart(0).columnEnd(1)

        GridItem() {
          Button('.', {
            type: ButtonType.Normal
          }).buttonTextStyle()
            .onClick(() => {
              if (!this.isSignal(this.array[this.array.length-1])) {
                if (!this.array[this.array.length-1].endsWith('.')) {
                  this.result = this.result + '.'
                  this.array[this.array.length-1] = this.result
                }
              }
            })
        }

        GridItem() {
          Button('=', {
            type: ButtonType.Normal
          }).buttonTextStyle('#ffff9f0a')
            .onClick(() => {
              this.processResult()
            })
        }
      }
      .gridStyle()
      .rowsTemplate('1fr 1fr 1fr 1fr 1fr 1fr')
      .columnsTemplate('1fr 1fr 1fr 1fr')
    }.width('100%')
    .height('100%')
    .backgroundColor('#ff988282')
    .justifyContent(FlexAlign.Center)
  }

  isSignal(str: string): boolean {
    return str == '+' || str == '-' || str == '×' || str == '÷'
  }

  processResult() {
    if (this.array.length != 3) {
      return
    }
    let value = this.array[1]
    if (value == '+') {

      this.result = napi.add(this.getNumber(this.array[0]), this.getNumber(this.array[2])).toString()
    }
    if (value == '-') {
      this.result = napi.sub(this.getNumber(this.array[0]), this.getNumber(this.array[2])).toString()
    }
    if (value == '×') {
      this.result = napi.mul(this.getNumber(this.array[0]), this.getNumber(this.array[2])).toString()
    }
    if (value == '÷') {
      this.result = napi.div(this.getNumber(this.array[0]), this.getNumber(this.array[2])).toString()
    }
    if (this.result.length > RESULT_MAX) {
      this.array = ['0']
      return
    }
    this.array = [this.result]
  }

  getNumber(str: string): number {
    if (str.endsWith('.')) {
      return Number(str.replace('.', ''))
    }
    return Number(str)
  }

  processNumber(n: number) {
    if (this.array.length > 0) {
      if (this.array[this.array.length-1].toString().length >= INPUT_MAX) {
        return
      }
      if (this.array[this.array.length-1].toString().includes('.')) {
        this.result = this.result + n
        this.array[this.array.length-1] = this.result
      } else if (!this.isSignal(this.array[this.array.length-1])) {
        this.result = (this.getNumber(this.result) * 10 + n).toString()
        this.array[this.array.length-1] = this.result
      } else {
        this.result = n.toString()
        this.array.push(this.result.toString())
      }
    } else {
      this.result = n.toString()
      this.array.push(this.result.toString())
    }

  }
}


@Extend(Text)
function screenTextStyle() {
  .backgroundColor('#ff51494a')
  .textAlign(TextAlign.End)
  .height('100%')
  .width('100%')
  .fontColor("#ffe6e6e5")
  .padding(10)
  .borderWidth(1)
  .fontSize(50)
  .fontWeight(FontWeight.Normal)
}

@Extend(Button)
function buttonTextStyle(color: string = '#ff6e6865') {
  .backgroundColor(color)
  .height('100%')
  .width('100%')
  .fontColor("#ffe6e6e5")
  .padding(10)
  .borderWidth(1)
  .fontSize(32)
}

@Extend(Grid)
function gridStyle() {
  .width('100%')
  .height(480)
  .borderWidth(1)
  .borderColor('#ff423e3d')
  .borderRadius(10)
}

至此，ArtTS调用C/C++开发已完成。

10.应用架构

此图特意备注了文件路径，可结合章节7.1的目录结构看，方便理解，在架构层面梳理了C/C++模块、Napi、CMake工具链、ArtTs应用层之间的关系。

注意：

  1. 对C库的支持请参考《Native层支持说明》章节1
  2. 对C++库的支持请参考《Native层支持说明》章节2
  3. 对Napi标准库的支持请参考《Native层支持说明》章节3

http://www.kler.cn/a/384737.html

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