Android build子系统（01）Ninja构建系统解读

时间：2024-10-03 07:00:36

说明：本文将解读Ninja构建系统，这是当前Android Framework中广泛使用的构建工具。我们将从Ninja的起源和背景信息开始，逐步解读Ninja的优势和核心原理，并探讨其一般使用场景。然后介绍其在Android Framework中的应用及相关工具：kati、soong、gn等，最后介绍下如何自行构建一个Ninja编译系统，以便于对Ninja有一个完整的了解。

1 Ninja基本内容解读

1.1 什么是Ninja？

Ninja是一个小型的、专注于速度的构建系统，最初由Google的程序员Chris Manson开发，最初用于加速Chrome浏览器的构建过程。Ninja的设计哲学是简化构建过程，通过精确指定输入和输出关系，实现快速增量构建。Ninja的首次使用是在开源的Chromium浏览器项目中，该项目拥有超过30,000个源文件，Ninja能够在不到一秒的时间内开始构建过程，相较于其他构建系统有显著的速度优势。

与Make相比，Ninja舍弃了各种高级功能来实现快速的增量编译。Make具有各种高级功能，比如函数、内置规则，而Ninja则专注于速度。Ninja的构建文件是可读的，但更多场合下，是由其他构建系统的工程文件自动生成的。

Ninja被用于构建Google Chrome、部分Android系统、LLVM等项目。由于CMake支持Ninja后端，CMake可以生成Ninja构建文件，从而利用Ninja的高效构建能力。

总之，Ninja是一个快速、轻量级的构建系统，专注于增量构建，常用于大型项目。

1.2 Ninja的核心原理解读

Ninja的核心原理基于构建文件中定义的规则和依赖关系，通过构建图（依赖图）来确定需要重新构建的目标。Ninja使用简单的文件时间戳比较来实现增量构建，避免了不必要的编译过程。总结下，它的核心原理主要包含以下几个方面：

  • 依赖图： Ninja构建过程基于一个明确的依赖图，这个依赖图定义了项目中所有文件的依赖关系。每个节点代表一个文件或一个构建命令，边代表依赖关系。Ninja在构建前会构建这个依赖图，并在构建时只执行那些受影响的节点。
  • 构建文件： Ninja使用.ninja文件作为输入，这些文件包含了构建规则和目标。这些规则定义了如何从输入文件生成输出文件。.ninja文件通常由其他工具（如GN或CMake）生成。
  • 增量构建： 只有当输入文件发生变化时，Ninja才会重新构建目标。它通过比较文件的时间戳来确定哪些文件需要更新。
  • 并行构建： Ninja能够并行执行多个构建任务，以充分利用多核处理器的能力。它会智能地调度任务，以最大化并行度并减少构建时间。
  • 避免冗余： Ninja的设计避免了不必要的工作。例如，它不会在构建过程中重新扫描依赖关系，因为这些信息已经在构建文件中明确指定。
  • 简洁性： Ninja的构建文件（.ninja文件）是简洁的，专注于构建逻辑，不包含条件逻辑或循环。这使得构建文件易于理解和维护。
  • 可靠性： Ninja在构建过程中会捕获错误并立即停止，这样可以避免无效的构建尝试。
  • 工具链无关性： Ninja本身不关心底层的编译器或工具链，它只负责调度构建任务。这使得Ninja可以与多种编译器和工具链一起使用。
  • 跨平台： Ninja可以在Windows、Linux和macOS等多种操作系统上运行，这使得它适用于跨平台项目。
  • 性能： Ninja的性能非常出色，尤其是在大型项目中。它能够快速地开始构建过程，并在构建过程中保持高效率。

Ninja的核心原理是提供一个简单、快速、可靠的构建系统，它通过优化构建过程和利用现代硬件的优势来实现这一目标。

1.3 Ninja相比于make的优势

Ninja 和 Make 都是构建系统，用于自动化编译和构建软件项目。Ninja 是在 Make 的基础上发展起来的，它旨在解决 Make 在某些方面的局限性，特别是在大型项目中的性能问题。以下是 Ninja 相比 Make 的一些优势：

  • 速度： Ninja 的主要优势是速度快。它在设计时就注重减少磁盘 I/O 和提高构建速度。Ninja 通过预先计算构建依赖关系，并在构建文件中明确指定，从而避免了 Make 在构建过程中重复扫描源代码文件的开销。
  • 并行构建： Ninja 能够更有效地利用多核处理器进行并行构建。它默认就会并行执行构建任务，而 Make 需要显式地通过 -j 选项来指定并行构建的作业数。
  • 依赖关系： Ninja 的依赖关系更加明确和静态。它不依赖于文件的时间戳来确定是否需要重新构建，而是使用文件内容的哈希值，这减少了在构建过程中的不确定性和不必要的构建。
  • 构建文件： Ninja 的构建文件（.ninja 文件）通常由其他工具（如 GN 或 CMake）生成，这使得构建文件的维护和管理更加一致和简单。而 Makefile 通常需要手工编写，容易出错且难以维护。
  • 简洁性： Ninja 的构建文件更加简洁，因为它避免了 Makefile 中常见的复杂逻辑和条件判断。这使得 Ninja 文件更容易理解和修改。
  • 可靠性： Ninja 在遇到错误时会立即停止构建，而不是尝试继续执行其他任务。这有助于更快地发现和解决问题。
  • 跨平台： Ninja 支持跨平台构建，可以在 Windows、Linux 和 macOS 上运行，而 Make 起源于 Unix 系统，虽然也有跨平台的支持，但在某些平台上可能需要额外的配置。
  • 工具链无关性： Ninja 不关心底层的编译器或工具链，它只负责调度构建任务。这使得 Ninja 可以与多种编译器和工具链一起使用，而 Make 可能需要为不同的编译器或工具链编写不同的 Makefile。
  • 一致性： Ninja 通过生成的构建文件来执行构建，这使得构建过程更加一致，不受环境变化的影响。而 Makefile 可能会受到当前 shell 环境的影响。
  • 性能： Ninja 在大型项目中的性能优势尤为明显，因为它能够更快地启动构建过程，并且在增量构建时更加高效。

总的来说，Ninja 通过优化构建过程和利用现代硬件的优势，提供了一种更快速、更可靠、更易于维护的构建解决方案。

1.4 Ninja的安装

ubuntu上可以直接安装：

$sudo apt install ninja-build

1.5 Ninja的一般使用场景

以下是 Ninja 的一般使用场景：

  • 跨平台构建：Ninja 支持在 Windows、Linux 和 macOS 等多种操作系统上运行，适用于跨平台项目构建。
  • 大型项目构建：Ninja 特别适合于大型项目，如 Chromium、LLVM 等，这些项目包含成千上万个源文件，Ninja 通过并行编译显著缩短构建时间。
  • 与现代构建系统配合：Ninja 常与 CMake 或 Meson 等现代构建系统配合使用，生成高效的构建文件。
  • 持续集成/持续部署（CI/CD）：在 CI/CD 系统中，Ninja 的快速构建能力有助于缩短反馈循环时间，提高构建和测试的效率。
  • 需要快速迭代的场景：在开发过程中，如果需要频繁编译，Ninja 可以提供快速的反馈循环，使得开发者可以更快地进行代码迭代。
  • 自定义构建规则：Ninja 允许开发者自定义构建规则，适用于需要特殊构建逻辑的项目。
  • 与Android NDK配合：Android NDK 默认使用 Ninja 进行原生库的构建，因此在 Android 原生应用开发中，Ninja 是一个重要的工具。
  • Bazel 构建工具：Google 的 Bazel 构建工具虽然有自己的内部构建系统，但也可以配置为使用 Ninja 提高性能。

Ninja 的核心优势在于其构建速度和并行编译能力，这使得它成为许多大型和复杂项目的理想选择。

2 Ninja在Android Framework中的应用

Ninja适用于需要快速构建的大型项目，尤其是在C/C++代码编译方面表现出色。在Android Framework的构建中，Ninja主要用于编译原生代码，同时也支持Java/Kotlin代码的编译。

随着Android系统的不断演进，从Android 7.0（Nougat）开始引入了Soong构建系统，它使用Android.bp文件来定义构建规则，并生成Ninja文件，然后由Ninja执行实际的编译和链接任务。

2.1 为什么要引入ninja？

实际上在Android 7.0（Nougat）之前，Android系统主要使用Makefile和Android.mk文件来描述构建过程。这些文件定义了如何编译和链接模块，并通过调用make命令来执行构建任务。

随着Android系统和应用程序的增长，这种构建方式变得越来越慢，尤其是在大型项目中。为了解决这个问题，Google开始引入新的构建系统来提高编译速度和效率。

2.2 过渡期工具：Kati工具

在从Make过渡到Ninja的过程中，Google开发了Kati工具，用于将Android.mk文件转换为Ninja可以理解的构建文件。这样，现有的Android.mk文件可以被重用于新的构建系统，而不需要立即迁移到新的格式。

这里给出一个简单的kati工具使用的流程，便于更好地理解Kati工具：

假设你有一个简单的 Android.mk 文件，它定义了一个模块的编译规则，如下所示：

include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE := my_module
LOCAL_SRC_FILES := my_source.c
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

这个 Android.mk 文件告诉构建系统如何编译一个共享库 my_module，它由 my_source.c 源文件构建而来。使用 Kati 转换这个过程如下：

$cd path/to/your/module
$ckati --ninja

这将生成一个 build.ninja 文件，内容类似于：

rule cc
  command = gcc -c $cflags -o $out $in
  description = COMPILE

build my_module.o: cc my_source.c
build my_module: link my_module.o

然后，你可以使用 Ninja 来构建这个模块：

$ninja -f build.ninja

2.3 Soong工具构建系统引入

从Android 7.0（Nougat）开始，引入了Soong构建系统，它使用Android.bp文件来定义构建规则，并生成Ninja构建文件。在Android 8.0（Oreo）中，Google进一步引入了Android.bp文件和Soong构建系统。Android.bp文件是一种更简洁、更易于维护的构建脚本格式。Soong是一个新的构建引擎，它使用Android.bp文件来生成Ninja构建文件。

这里给出一个简单的kati工具使用的流程，便于更好地理解Soong工具：

假设你有一个简单的 Android.bp 文件，它定义了一个 C/C++ 库的构建规则，如下所示：

cc_library_shared {
    name: "my_library",
    srcs: ["src/my_library.c"],
    shared_libs: ["liblog"],
    export_include_dirs: ["include"],
}

这个 Android.bp 文件告诉构建系统如何编译一个共享库 my_library，它由 src/my_library.c 源文件构建而来，并包含 liblog 库。

在 Android 构建环境中，通常不需要直接调用 Soong 命令，因为构建脚本会自动化这个过程。这里为了方便理解，使用手动方式触发 Soong 的构建过程，使用以下命令：

source build/envsetup.sh
lunch XXX-target
out/soong/.bootstrap/bin/soong_build --make-mode <target-moudle>

这个命令会执行 Soong，生成 out/soong/build.ninja 文件，然后 Ninja 会使用这个文件来编译项目，使用 Ninja 来构建这个模块：

$ninja -f build.ninja

2.4 GN工具的引入

GN（Generate Ninja）是一个由Google开发的元构建系统，它用于生成Ninja构建文件，这些文件随后由Ninja构建系统使用来编译项目。GN在Android系统中的使用是逐步引入的。

GN在Android系统中的引入最开始主要是为了改善Chromium项目的构建性能。Chromium是Google Chrome浏览器的开源项目，它有着庞大的代码库。GN的设计目标是减少构建时间，尤其是在大型项目中。GN通过并行构建和优化依赖关系来提高构建速度。

从Android 8.0（Oreo）开始，GN的使用更加广泛，并且随着Android版本的更新，GN和Ninja的集成逐渐深入到Android的构建系统中。GN的主要优势如下：

  • 速度：GN生成的Ninja文件能够快速执行构建任务，尤其是在大型项目中。
  • 可读性：GN的构建文件（.gn或BUILD.gn）比传统的Makefile更容易阅读和维护。
  • 跨平台：GN支持跨平台构建，可以在不同的操作系统上使用。

总的来说，GN的引入也是为了提高Android系统和Chromium等大型项目的构建效率。

gn的安装，可以从官网下载代码编译：

$git clone https://gn.googlesource.com/gn
$cd gn
$python build/gen.py
$ninja -C out

然后把二进制文件放到你的路径里即可。

这里给出一个简单的GN工具使用的流程，便于更好地理解GN工具：

假设你有一个简单的 C++ 项目，你需要编写一个 BUILD.gn 文件来告诉 GN 如何构建它。这个文件可能会包含如下内容：

# 定义一个可执行文件目标
executable("my_app") {
  sources = [
    "main.cc",
    "utils.cc",
  ]
  deps = [
    "//third_party/some_library",
  ]
}

这个 BUILD.gn 文件定义了一个名为 my_app 的可执行文件，它依赖于 main.cc 和 utils.cc 这两个源文件，以及一个名为 some_library 的第三方库。

在 Android 构建环境中，GN 的执行通常是自动的。这里为了方便理解，手动运行 GN，在项目根目录下运行以下命令：

$gn gen out/debug --dotfile=out/debug/gn_graph.dot

这个命令会生成一个名为 out/debug 的输出目录，生成一个 Ninja 构建文件。并创建一个名为 gn_graph.dot 的文件，该文件包含了构建图的 Graphviz 表示，用于可视化构建过程。

然后可以使用 Ninja 来构建这个模块：

$ninja -f build.ninja

2.5 详细解读kati soong gn与Ninja之间的关系

Kati、Soong、GN 和 Ninja 都是构建系统组件。在 Android 系统的编译过程中，这些工具通常按照以下流程工作：

  • GN 将BUILD.gn转换为 Ninja 文件。
  • Kati 将 Android.mk 转换为 Ninja 文件。
  • Soong 解析 Android.bp 文件并生成 Ninja 文件。
  • Ninja 读取生成的 Ninja 文件，并执行构建任务。

总的来说，GN Kati Soong相当于cmake的角色，而Ninja相当于make的角色。同时GN 和 Ninja 是现代构建系统的工具，而 Kati 和 Soong 是 Android 在从旧的 Make 构建系统过渡到基于 Ninja 的构建系统过程中引入的组件。

作为一个高效、轻量级的构建工具，在Android Framework的构建过程中发挥着重要作用。了解Ninja的原理和优势，可以帮助开发者更好地优化构建过程，提高开发效率。接下来用一个最简单的例子，我们来熟悉一下Ninja的编译流程。

3 构建一个最简单Ninja编译系统

构建一个最简单的 Ninja 编译系统，你需要以下2个文件：一个 C/C++ 源文件、一个 Ninja 构建文件。以下是一个简单的 "Hello, World!" 程序的例子。

3.1 源代码文件（hello.c）

// hello.c
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

3.2 Ninja 构建文件（build.ninja）

# 定义编译器
cflags = -Wall

# 定义构建规则
rule cc
  command = gcc $cflags -c $in -o $out
  description = Compiling $out

# 定义构建目标
build hello.o: cc hello.c
build hello: link hello.o
  command = gcc -o $out $in
  description = Linking $out

3.3 运行 Ninja 构建

首先，确保你已经安装了 Ninja。然后，在包含上述两个文件的目录中打开命令行，运行以下命令：

#默认路径
$ninja

这个命令会检查 build.ninja 文件中的指令，编译 hello.c 文件，并将其链接成可执行文件 hello。构建完成后，你可以运行生成的可执行文件：

$./hello
Hello, World!

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