《深入理解Android：卷1》- JNI层（一）

2018-03-24 本文已影响95人 Dufre

这一篇主要学习理论知识

JNI是什么

JNI：Java Native Interface

WikiPedia:JNI是一个编程框架，使得虚拟机（JVM）的Java程序也可以调用C/C++写的本地应用/库。这里的本地应用/库指不同的操作系统有其编程的特殊性，例如同样是打开一个文件，Windows上的API会调用OpenFile函数，而Linux上的API会调用open函数。

JNI的作用

Java程序中的函数可以调用Native语言写的函数，Native一般指C/C++编写的函数。
Native程序中的函数可以调用Java层的函数，也就是在C/C++程序中可以调用Java的函数。

在Android平台上，Java层、JNI层、Native层所处的位置如下图所示。

1.png

JNI的意义

JVM运行在具体的平台上，所以JVM本身无法做到与平台无关。JNI技术可以对Java层屏蔽不同操作系统平台之间的差异。

JNI实现

Java层

对Java层来说，只需要两步就能完成两项工作就可以使用JNI：

加载对应的JNI库
声明由关键字native修饰的函数

如果Java调用native函数，需要一个位于JNI层的动态库来实现，然后调用System.loadLibrary方法。System.loadLibrary函数的参数是动态库的名字，系统会自动的根据不同的平台转换成真实的动态库文件名，例如在Linux系统上会转换成pkg_Cls.so，而在Windows平台上会转换成pkg_Cls.dll。

package pkg; 

class Cls {
native double f(int i, String s);
static {
    System.loadLibrary(“pkg_Cls”);
    }
}

Native层

Java层中，有一个函数native double f(int i, String s)，这个函数是在Native层中的jdouble Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2函数实现的。

C函数：

jdouble Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2 (
     JNIEnv *env,        /* interface pointer */
     jobject obj,        /* "this" pointer */
     jint i,             /* argument #1 */
     jstring s)          /* argument #2 */
{
     /* C语言中用char指针获取Java的String */
     const char *str = (*env)->GetStringUTFChars(env, s, 0);

     /* process the string */
     ...

     /* Now we are done with str */
     (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, s, str);

     return ...
}

C++函数中没有间接层和接口指针，但和C的底层实现原理一样，JNI函数会定义为内联成员函数。（why？）

extern "C" /* specify the C calling convention */ 

jdouble Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2 (

     JNIEnv *env,        /* interface pointer */
     jobject obj,        /* "this" pointer */
     jint i,             /* argument #1 */
     jstring s)          /* argument #2 */

{
     const char *str = env->GetStringUTFChars(s, 0);

     // ...

     env->ReleaseStringUTFChars(s, str);

     // return ...
}

可以看出，native方法中：

第一个参数，类型是JNIEnv*，是一个指向JNIEnv的指针类型。
第二个参数，如果申明的方法是static类型的，则该参数是一个jclass类型，如果申明的方法是一个非static类型的，则该参数是一个jobject类型。
后面的参数是所声明方法的参数

JNI层

JNI层主要的工作是建立Java层和Native层的联系，即Java的f函数和C的Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2函数。建立Java层和Native层联系（JNI函数注册）的方法有静态和动态两种方法。

静态方法

首先编写java代码，用javac编译生成.class文件
使用 javah 命令生成与.class 文件对应的 .h 头文件
实现.h文件中的函数
使用ndk工具生成库文件（Linux为so文件，Windows为dll文件）

以f为例，当Java层调用f函数时，会从对应的JNI库中寻找其对应的函数Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2，如果没有，就会报错。如果有则会为Java层的f和JNI层的Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2建立联系，其实就是保存JNI层函数的函数指针。以后再调用时，直接使用函数指针即可。

静态方法的弊端：

每个.class文件都要生成对应的.h文件
javah生成的JNI层函数名特别长，书写起来很不方便
初次调用native函数时要根据函数名字找到其JNI层函数，影响影响运行效率

动态方法

在JNI技术中，JNINativeMethod结构体会保存，Java中的native函数和JNI层函数的这种一一对应关系。

typedef struct{
    //Java中的native函数的名字
    const char* name;
    //Java函数的签名信息，用字符串表示，是参数类型和返回值类型的组合
    const char* signature;
    //JNI层对应函数的函数指针
    void* fnPtr;
}JNINativeMethod;

然后通过AndroidRunTime类提供了一个registerNativeMethods函数来完成注册函数。

int registerNativeMethods(JNIEnv* env, const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)

而这个函数又是调用jniRegisterNativeMethods函数完成注册工作。

int jniRegisterNativeMethods(JNIEnv* env, const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
    jclass clazz;
    clazz = (*env)->FindClass(env, className);
    ...
    //实际上是调用JNIEnv的RegisterNatives函数完成注册的
    if((*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods, numMethods) < 0)
    {
        return -1;
    }
    return 0;
}

总的来说，动态注册只用两个函数就能完成。

//找到对应的Java类。env指向一个JNIEnv结构体（稍后说明），className为对应的Java类名
jclass clazz = (*env)->FindClass(env, className);
//调用JNIEnv的RegisterNatives函数，注册关联关系。nMethods为methods数组中native函数的个数
jint RegisterNatives(JNIEnv *env, jclass clazz,const JNINativeMethod *methods, jint nMethods);

当Java层通过System.loadLibrary加载完JNI动态库后，紧接着会查找该库中的JNI_OnLoad函数，如果有就调用。

//JavaVM是虚拟机在JNI层的代表，每个Java进程只有一，
jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved);

数据类型转换

Java数据类型分为基本数据类型和引用数据类型两种，JNI层也是对此有区分的。

基本数据类型转换

2.png

引用数据类型转换

除了基本类型的数组、Class、String和Throwable外，其余所有Java对象的数据类型在JNI中都用jobject表示。

3.png

今日单词：

JNI（Jave Native Interface）： Java本地调用
JVM（Java Virtual Machine）：Java虚拟机
platform-specific：特定平台
Native Libraries：本地库
Primitive Types：基本类型
Reference Types：引用类型
parameter：形参（formal argument）
argument ：实参（actual argument）
COM（component object model）组件对象模型

参考资料

《Java Native Interface Specification》
《深入理解Android：卷1》