深入理解JNI

深入理解JNI

最近在学习android底层的一些东西，看了一些大神的博客，整体上有了一点把握，也产生了很多疑惑，于是再次把邓大神的深入系列翻出来仔细看看，下面主要是一些阅读笔记。

JNI概述

JNI是Java Native Interface的缩写 ，通常称为“Java本地调用”，通过这种技术可以做到：

Java程序中的函数可以调用Native语言写的函数，Native一般是指C/C++编写的函数；

Native程序中的函数可以调用Java层的函数，也就是说C/C++程序可以调用Java函数。

通过JNI可以将底层Native世界和java世界联系起来

学习JNI实例：MediaScanner

Java层对应的是MediaScanner，这个类有一些函数需要由Native层来实现

JNI层对饮libmedia_jni.so，一般采用lib模块名_jni.so的命名方式

Native层对应的是libmedia.so，这个库完成了实际的功能

1、调用native函数

Java调用native函数，就需要通过一个位于JNI层的动态库来实现，这个通常是在类的static语句中加载，调用System.loadLibrary方法，该方法的参数是动态库的名称，在这里为media_jni(系统会根据不同平台扩展成真实的动态库文件名，如在linux中libmedia_jni.so,而在windows平台则会扩展为media_jin.dll)

[MediaScanner.java]

`static {
    //加载对应的JNI库media_jni是JNI库的名称。实际动态加载时将其扩展成为libmedia_jni.so
    //在windows平台则扩展成为media_jni.dll
    System.loadLibrary("media_jni");
    native_init();//调用native_init函数
    ……
    //申明一个native函数，表示它由JNI层完成
    private native void processFile(String path, String mimeType, MediaScannerClient client);
    ……
    private static native final void native_init();
}`

2、Java层和JNI层函数关联

即java层的native_init和processFile[MediaScanner.java如上]函数对应的是JNI层的android_media_MediaScanner_native_init和android_media_MediaScanner_processFile[android_media_MediaScanner.cpp如下]函数呢？

`
//native_init的JNI层实现
static void android_media_MediaScanner_native_init(JNIEnv *env)
{
ALOGV("native_init");
jclass clazz = env->FindClass(kClassMediaScanner);
if (clazz == NULL) {
    return;
    }

fields.context = env->GetFieldID(clazz, "mNativeContext", "J");
if (fields.context == NULL) {
    return;
    }
}
    ……

//processFile的JNI层实现
static void android_media_MediaScanner_processFile(
    JNIEnv *env, jobject thiz, jstring path,
    jstring mimeType, jobject client)
{
ALOGV("processFile");

// Lock already hold by processDirectory
MediaScanner *mp = getNativeScanner_l(env, thiz);
     ……
//调用JNIEnv的GetStringUTFChars得到本地字符串pathStr
const char *pathStr = env->GetStringUTFChars(path, NULL);
if (pathStr == NULL) {  // Out of memory
    return;
}
const char *mimeTypeStr =
    (mimeType ? env->GetStringUTFChars(mimeType, NULL) : NULL);
if (mimeType && mimeTypeStr == NULL) {  // Out of memory
    // ReleaseStringUTFChars can be called with an exception pending.
    //使用完记得释放资源否则会引起JVM内存泄露
    env->ReleaseStringUTFChars(path, pathStr);
    return;
}
    ……
}   

`

注册JNI函数

注册之意就是将Java层的native函数与JNI层对应的实现函数关联起来，这样在调用java层的native函数时，就能顺利转到JNI层对应的函数执行。

拿native_init来说，在android.media这个包中，全路径为andorid.media.MediaScanner.native_init而JNI函数名字是android_media_MediaScanner_native_init,由于在Native语言中符号“.”有着特殊意义需要将java函数名（包括包名）中的“.”换成“_”，这样java中的native_init找到JNI中的android_media_MediaScanner_native_init

注册的两种方式

静态方式

动态方式

静态方式

根据函数名来找对应的JNI函数，需要java的工具程序javah参与，流程如下：

先编写java代码，然后编译生成.class文件

使用java的工具程序javah，如javah -o output packagename.classname 这样就会生成一个叫output的JNI层头文件（函数名有_转换后为_l）

在静态方法中native函数是如何找到的，过程如下：当java层调用native_init函数时，它会从对应的JNI库中寻找java_android_media_MediaScanner_native_linit函数,如果没有找到，就会报错，如果找到就会为native_init和java_android_media_MediaScanner_native_linit建立一个函数指针，以后再调用native时直接使用这个指针即可，这个工作是由虚拟机完成

缺点：每个class都需要使用javah生成一个头文件，并且生成的名字很长书写不便；初次调用时需要依据名字搜索对应的JNI层函数来建立关联关系，会影响运行效率

动态注册

使用一种数据结构JNINativeMethod来记录Java native函数和JNI函数的对应关系

`typedef struct {
const char* name;
const char* signature;
void* fnPtr;
} JNINativeMethod;`

[android_media_MediaScanner.cpp]中native_init和processFile的动态注册

`//动态注册
//定义一个JNINativeMethod数组，其成员就是MS中所有native函数一一对应关系
static JNINativeMethod gMethods[] = {
    ……
{
    "processFile", //java中native函数的函数名
    //processFile的签名信息
    "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)V",
    (void *)android_media_MediaScanner_processFile//JNI层对应的函数指针
},
    ……
{
    "native_init",
    "()V",
    (void *)android_media_MediaScanner_native_init
},
    ……
};

// This function only registers the native methods, and is called from
// JNI_OnLoad in android_media_MediaPlayer.cpp
//注册JNINativeMethod数组
int register_android_media_MediaScanner(JNIEnv *env)
{
return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
            kClassMediaScanner, gMethods, NELEM(gMethods));
}

`

这里使用AndroidRunTime类提供的registerNativeMethods将getMethods来完成注册工作

[AndroidRunTime.cpp]

`/*
* Register native methods using JNI.
*/
/*static*/
int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv* env,
const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}`

这里最终调用jniRegisterNativeMethods,这个函数是android平台为了方便JNI使用的一个帮助函数

[JNIHelp.c]

`
/*
 * Register native JNI-callable methods.
 *
 * "className" looks like "java/lang/String".
 */
int jniRegisterNativeMethods(JNIEnv* env, const char* className,
    const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
    jclass clazz;

    LOGV("Registering %s natives\n", className);
    clazz = (*env)->FindClass(env, className);
    if (clazz == NULL) {
        LOGE("Native registration unable to find class '%s'\n", className);
        return -1;
    }
    //实际上是调用了JNIEnv的RegisterNatives函数完成注册的
    if ((*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods, numMethods) < 0) {
        LOGE("RegisterNatives failed for '%s'\n", className);
        return -1;
    }
    return 0;
}

`

从这里我们可以清晰看出函数调用关系

`AndroidRuntime::registerNativeMethods
                jniRegisterNativeMethods`

而在jniRegisterNativeMethods中核心步骤只有两步

通过类名找到类（env指向一个JNIEnv结构体，className为对应Java类名，由于JNINativeMethod中使用的函数名并非全路径名，这里要指明具体类）

jclass clazz = (*env)->FindClass(env, className);

调用JNIEnv的RegisterNatives函数完成注册关联关系

(*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods, numMethods)

何时调用该动态注册函数？

在第一小节调用native函数时首先使用System.loadLibrary来加载动态库，当加载完成JNI动态库后，紧接着会查找该库汇总一个叫JNI_OnLoad的函数，如果有就调用该函数,动态注册工作就是在这里完成。因此要实现动态注册就必须实现JNI_OnLoad函数，只有在这个函数中才有机会完成动态注册的工作。这里是放在了android_media_MediaPlayer.cpp中

[android_media_MediaPlayer.cpp]

`jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void*  reserved )
{
//该函数的第一个参数类型为JavaVM，这是虚拟机在JNI层的代表
//每个java进程只有一个这样的JavaVM
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;

if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
    ALOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
    goto bail;
}
assert(env != NULL);
……
if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0) {
    ALOGE("ERROR: MediaScanner native registration failed\n");
    goto bail;
}
……

/* success -- return valid version number */
result = JNI_VERSION_1_4;

bail:
return result;
}`

ok，至此JNI注册结束

JNIEnv介绍

在注册过程中JNIEnv已经多次出现，这里做下详细介绍。代表JNI环境的结构体

而且JNIEnv是一个线程相关的，也就是说线程A有个JNIEnv，线程B有个JNIEnv。由于线程相关不能在B线程中去访问线程A的JNIEnv结构体。由于我们无法保存一个线程的JNIEnv结构体，然后放到后台线程中去使用。为了解决这个问题，在

JNI_OnLoad函数中第一个参数是JavaVM对象，它是虚拟机在JNI层的代表

`
//全进程只有一个javavm对象，所以可以保存，并且在任何地方使用都没有问题
JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void*  reserved )`

其中

调用JavaVM的AttachCunrrentThread函数，就可以的得到这个线程的JNIEnv结构体。这样就可以在后台线程中回调Java函数

在后台线程退出前，需要调用JavaVM的Detach的DetachCurrentThread函数来释放对应的资源

这样就是可以方便使用JNIEnv了。

如何使用JNIEnv

在JNI中除了基本类型数组、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（数据类型下一节会介绍），因此JNIEnv如何操作jobject显得很重要。

首先要取得这些属性和方法。操作jobject的本质就是操作这些对象的成员变量和成员函数。在JNI中使用jfieldID和jmethodID来表示Java类的成员变量和成员函数

`jfieldID GetFieldID（jclass clazz，const char *name，const char *sig）
 jmethodID GetMethod（jclass clazz，const char *name，const char *sig）
`

其中jclass表示java类，name表示成员变量/成员函数名称，sig表示变量/函数的签名信息,使用如下所示

[android_media_MediaScanner.cpp]

` mScanFileMethodID = env->GetMethodID(
                                mediaScannerClientInterface,
                                "scanFile",
                                "(Ljava/lang/String;JJZZ)V");`

这里所做就是将这些ID保存以便于后续使用，使得运行效率更高。

获取这些属性/方法ID后再看如何使用，如前面已经获取了mScanFileMethodID,下面是使用

` mEnv->CallVoidMethod(mClient, mScanFileMethodID, pathStr, lastModified,
            fileSize, isDirectory, noMedia);
`

清清楚楚，使用JNIEnv输出CallVoidMethod，再把jobject、jMethodID和对应的参数传入，就可以调用java对象的函数了。这里是无返回值对象，实际上JNIEnv输出了一些列类似CallVoidMethod的函数，如CallIntMethod等，实际形式如下

`NativeType Call<type>Method(JNIEnv *env,jobject obj,jmethodID methodID,……)`

其中type对应java函数返回值，要是调用java中的static函数，则需要使用JNIEnv输出的CallStaticMethod系列

同理通过jfieldID操作jobject的成员变量

`NativeType Get<type>Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID)
 NativeType Set<type>Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID,NativeType value)`

JNI类型和签名

类型

java数据类型分为基本数据类型和引用数据类型两种

先看基本数据类型

Java	Native	JNI层字长
boolean	jboolean	8位
byte	jbyte	8位
char	jchar	16位
short	jshort	16位
int	jint	32位
long	jlong	64位
float	jfloat	32位
double	jdouble	64位

再看引用类型

Java引用类型	Native类型
All objects	jobject
java.lang.Class	jclass
java.lang.String	jstring
Object[]	jobjectArray
boolean[]	jbooleanArray
byte[]	jbyteArray
java.lang.Throwabe实例	jthrowable

签名

由于java支持函数重载，因此仅仅根据函数名是无法找到具体函数的，为解决这个问题，JNI技术中就将参数类型和返回值类型组合作为一个函数的签名，

如在[MedaiScanner.java]processFile函数定义

`  private native void processFile(String path, String mimeType, MediaScannerClient client);`

对应的JNI函数签名是

（Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;）V

其中，括号内是参数标识，最右边是返回值类型的标识，void类型标识是V，当参数类型是引用类型时其格式是”L包名”，包中的点换成/。

类型标识表

类型标识	java类型
Z	boolean
B	byte
C	char
S	short
I	int
J	long
F	float
D	double
L/java/lanaugeString	String
[I	int[]
[L/java/lang/object	Object[]

函数签名手动写很容易出错，java提供了一个javap的工具可以帮助生成函数或变量的签名信息

垃圾回收

JNI中提供三种类型的引用来解决垃圾回收问题

Local Reference:本地引用，一旦JNI层函数返回，这些jobject就可能被垃圾回收

Global Reference:全局引用，不主动释放，永远不会被回收

Weak Global Reference:弱全局引用，在运行过程中可能会被垃圾回收，因此在使用之前，需要调用JNIEnv的isSameObject判断是否被回收

小结

通过阅读本章主要学习了

JNI作用

结合MediaScanner等源码学习了JNI注册调用等过程

JNIEnv的用法

JNI中签名、数据类型、垃圾回收机制