继续研究NDK

继续研究NDK

我在阿里云服务器上搭建了Android ndk的开发平台，并且借助这一平台研究了NDK的内部细节。

NDK提供了Android本地编程的接口，让你可以开发高效的依赖库，提高程序的速度，像是图像处理类和游戏类必然是少不了这个东西的，此外对于嵌入式开发者来说，有的时候需要绕过虚拟机直接跟内核通信那么就需要这个东西了。之前看到学长做的项目说，需要在Android上做一个音乐接口，但是翻遍了Android的api发现都实现不了，这个时候其实用ndk去调用底层的库，就可以跟内核的数据流建立连接，就可以做更多地事情。这样我们就可以利用Android兼容性能的同时，塑造更加高效的计算，或者是更加庞大的库。

jni.h提供了一系列的C接口来让我们在虚拟机和native lib之间辗转腾挪。language-agnostic这个词到底怎么翻译我也不好独断。

jni.h provides a thin C++ wrapper around the C API; the underlying calls are language-agnostic.基础调用是语言无关的。

wiki:

elfARM的可执行文件的格式是ELF格式文件，那么我们先看一下jni的函数库是什么样子的。当然了这里的函数库，指的是本地的二进制镜像。

readelf查看ELF文件格式：

ELF文件格式：研究这种东西有助于我们理解更加深奥的开发模型；

ProgramHeaders:

ELF函数头

ABI(application binary interface)：

• 数据类型的大小、布局和对齐;
• 调用约定（控制着函数的参数如何传送以及如何接受返回值），例如，是所有的参数都通过栈传递，还是部分参数通过寄存器传递；哪个寄存器用于哪个函数参数；通过栈传递的第一个函数参数是最先push到栈上还是最后；

• 系统调用的编码和一个应用如何向操作系统进行系统调用；

• 以及在一个完整的操作系统ABI中，目标文件的二进制格式、程序库等等。

假如我们编写了一个待编译的文件hello-jni.c

那么编译命令是：Jni:ndk-build hello-jni.c，编译生成了libhello-jni.so。

这样我们就给Android程序定制了c语言实现的库

android-arch这里可以看到当前对arm支持的一些信息，通过ldd libhell-jni.so命令可以查看当前库的依赖。

编写ndk的项目配置文件，本文中的项目是最简单的hello程序：

android.mk

Generate libhello-jni.so

ABI也是很重要的概念，前面已经解释了。

编写第二个配置文件：Application.mk

编写平台：Target all platform such as arm-v7\x86\ ...

Add a mudule:LOCAL_LDLIBS += -lsth

这里是具体c文件编写的规则：

JNI函数声明：

JNIEXPORT <return> JNICALL Java_<package>_<class>_<function>(JNIEnv* env,jobject,<Args>)

例如：

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_Cartoonifier_CartoonifierView_ShowPreview(

JNIEnv* env,jobject ,jint width,jint height,jbyteArray yuv,jintArray bgra){ }

JNIEnv:

native程序中频繁使用JNIEnv*和JavaVM*。而C和C++代码使用JNIEnv*和JavaVM*这两个指针的做法是有区别的，网上大部分代码都使用C++，基本上找不到关于C和C++在这个问题上的详细叙述。

在C中：

使用JNIEnv* env要这样      (*env)->方法名(env,参数列表)

使用JavaVM* vm要这样       (*vm)->方法名(vm,参数列表)

在C++中：

使用JNIEnv* env要这样      env->方法名(参数列表)

使用JavaVM* vm要这样       vm->方法名(参数列表)

我们来看一下和java连接的数据结构：

JNIEnv struct:

这个函数很有趣，体现了虚拟机平台的思想，需要什么类就去找什么类。我见过一种热更新Android系统的方案，那样不需要你去重启系统，利用的就是这个原理，去更改系统的find class的配置文件，然后用继承的思维，加入更新进去的库文件，并且向下兼容，就可以实现热更新。java虚拟机是一种我并不喜欢的思维，他试图用一个模型来解决所有问题。当你要解决问题的时候只需要加一个新类进去。

本地方法不能将JNIEnv从一个线程传递到另一个线程中。相同的 Java 线程中对本地方法多次调用时，传递给该本地方法的JNIEnv是相同的。但是，一个本地方法可被不同的 Java 线程所调用，因此可以接受不同的 JNIEnv。

Java通过JNI机制调用c/c++写的native程序。c/c++开发的native程序需要遵循一定的JNI规范，下面的例子就是一个JNI函数声明：

JNIEXPORT jint JNICALL Java_jnitest_MyTest_test

(JNIEnv * env, jobject obj, jint arg0);

JVM负责从Java Stack转入C/C++ Native Stack。当Java进入JNI调用，除了函数本身的参数(arg0),会多出两个参数：JNIEnv指针和jobject指针。

JNIEnv指针是JVM创建的，用于Native的c/c++方法操纵Java执行栈中的数据，比如Java Class, Java Method等。

首先，JNI对于JNIEnv的使用, 提供了两种语法: c语法以及c++语法，如下：

c语法：

jsize len = (*env)->GetArrayLength(env,array);

c++语法：

jsize len =env->GetArrayLength(array);

(注：由于C语言并不支持对象的概念，所以C语法中需要把env作为第一个参数传入，类似于C++的隐式参数this指针).

另外： JNIEnv有几个设计的原则：

第一、JNIEnv指针被设计成了Thread Local Storage(TLS)变量，也就是说每一个Thread, JNIEnv变量都有独立的Copy。你不能把Thead#1使用的JNIEnv传给Thread#2使用。

第二、JNIEnv中定义了一组函数指针，c/c++ Native程序是通过这些函数指针操纵Java数据。这样设计的好处是：你的c/c++ 程序不需要依赖任何函数库，或者DLL。由于JVM可能由不同的厂商实现，不同厂商有自己不同的JNI实现，如果要求这些厂商暴露约定好的一些头文件和库，这不是灵活的设计。

而且使用函数指针表的另外一个好处是： JVM可以根据启动参数动态替换JNI实现。

需要强调的是JNIEnv是跟线程相关的。

这些都是数据接口；

调用JavaVM接口：

第一种方式，在加载动态链接库的时候，JVM会调用JNI_OnLoad(JavaVM* jvm, void* reserved)（如果定义了该函数）。第一个参数会传入JavaVM指针。

第二种方式，在native code中调用JNI_CreateJavaVM(&jvm, (void**)&env, &vm_args)可以得到JavaVM指针。两种情况下，都可以用全局变量，比如JavaVM* g_jvm来保存获得的指针以便在任意上下文中使用。Android系统是利用第二种方式Invocation interface来创建JVM的。

/*

JavaVM *jvm=0;

JNIEnv *env=(JNIEnv *)p;

env->GetJavaVM(&jvm);

*/

调用JNIEnv接口：

在native method中，JNIEnv作为第一个参数传入。那么在JNIEnv不作为参数传入的时候，该如何获得它

JNI提供了两个函数：

（*jvm)->AttachCurrentThread(jvm, (void**)&env, NULL)

(*jvm)->GetEnv(jvm, (void**)&env, JNI_VERSION_1_2)

两个函数都利用JavaVM接口获得JNIEnv接口，上面已经讲到如何获得JavaVM接口。JNI规范也说明，可以将获得JNIEnv封装成一个函数。

JNIEnv* JNU_GetEnv()

{

JNIEnv* env;

(*g_jvm)->GetEnv(g_jvm, (void**)&env, JNI_VERSION_1_2);//C风格

//jint result = g_jvm->GetEnv((void **) &env,JNI_VERSION_1_2);

return env;

}

JNI_VERSION

下面是来自stackoverflow的一段代码：

#include <jni.h>

#include <iostream>

#include <pthread.h>

using namespace std;

JNIEnv* getEnv(JavaVM *jvm)

{

JNIEnv *env = 0;

jint result = jvm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_6);//C++

if (result != JNI_OK)

{

JavaVM

　　　　/*虚拟机的线程技术值得深入研究*/

result = jvm->AttachCurrentThread((void **) &env, NULL);

//struct JNIInvokeInterface

if (result != JNI_OK)

{

cout << "Failed to attach current thread " << pthread_self() << endl;

}

else

{

cout << "Successfully attached native thread " << pthread_self() << endl;

}

// ...and register for detach when thread exits

int result = pthread_setspecific(key, (void *) env);

if (result != 0)

{

cout << "Problem registering for detach" << endl;

}

else

{

cout << "Successfully registered for detach" << endl;

}

}

return env;

}

static pthread_key_t key;

static pthread_once_t key_once;

接下来看一下ndk的c函数库，我相信你看到了很多你想要的东西，就连编写高性能服务器的poll.h都出现了。elf可以查看动态链接库的格式。这些函数都太底层了，大部分可能直接和内核通信。安全性更加重要。

NDK platform/android-19/*

NDK.inlcude\c\c++

JNIEnv使用方法：

参数声明 ...jintArray bgra,jbyteArray yuv...

/*......*/

jbyte* _yuv=env->GetByteArrayElements(yuv,0);//在JVM中获取图像数据

jint* _bgra=env->GetIntArrayElements(bgra,0);

/*......*/

env->ReleaseIntArrayElement(bgra,_bgra,0);

env->ReleaseByteArrayElements(yuv,_yuv,0);

问题是：从这里看到指向的是像素缓冲区，也就是java的对象数据，那么就不是copy,那么多线程调用TLS是怎么实现的？指针发生了竞争怎么办？还是就是拷贝，如果是内存拷贝又是怎么改变原实例的数据的。

下面的这个东西是多语言编译器，试图实现多种语言的混合编程。ndk是需要存在的，因为我们开发者有这种需要。不然我们真的就找不到办法去实现windows phone的那种性能了。即使Android虚拟机一直在优化。

引用：

SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator)

Tagline: SWIG is a compiler that integrates C and C++ with languages
         including Perl, Python, Tcl,
Ruby, PHP, Java, C#, D, Go, Lua,
         Octave, R, Scheme (Guile,
MzScheme/Racket, CHICKEN), Scilab,
         Ocaml, Modula-3, Common Lisp
(CLISP, Allegro CL, CFFI, UFFI)
         and Pike. SWIG can also export
its parse tree into XML and
         Lisp s-expressions.

来自 <https://github.com/swig/swig>