Android JNI 介紹

一：JNI 概述

        JNI全稱爲Java Native Interface，它能夠使在Java虛擬機中運行的Java代碼去操作用其他異於Java的編程語言（如C/C++）所編寫的程序和庫。通俗地說，JNI是一種技術，通過這種技術可以做到如下兩點：

   1. Java 程序中的函數可以調用Native 語言寫的函數，Native一般指C/C++編寫的函數。

   2. Native程序中的函數可以調用java層的函數，也就是說在C/C++程序中可以調用Java 函數。

       在Android 平臺上，JNI就是一座將Native 世界和java世界之間通途的橋，並在大量使用，如surface、mediaPlayer 等等。看圖1-1展示了Android 平臺上JNI所處的位置：

                 

                   圖1-1 Android 平臺中JNI的示意圖

    

由上圖可知，JNI將java與Native空間緊密聯繫在一起了。在很多linux版本應用移植到Android 平臺上也可能使用JNI，如一下視頻播放器可以通過JNI無縫過渡到Android平臺上來。

二：JNI 函數註冊

         在介紹JNI函數註冊前，先介紹兩個JNI使用中重要的概念：JavaVM與JNIEnv。JavaVM與JNIEnv 本質上都是指向函數表的指針的指針，在C++版本中，它們被定義成類，類裏面包含一個指向函數表的指針。具體參見頭文件定義dalvik\libnativehelper\include\nativehelper\jni.h。JNIEnv是一個與線程相關的變量，不同線程的JNIEnv彼此獨立。JavaVM是虛擬機在JNI層的代表，在一個虛擬機進程中只有一個JavaVM，因此該進程的所有線程都可以使用這個JavaVM。

        JNI方法是Android應用程序與本地操作系統直接進行通信的一個手段，這就需要將JAVA與C/C++函數註冊到JNIEnv中，從下面代碼段可以看出註冊過程。

Java 程序：

package com.example.test.app;
public class MiddleWare {
    ... ...
   static {
		System.loadLibrary("testmw_jni");
		nativeinit();
	}
	
	... ...
	public native void openUrl(String urlStr);
	... ...
	public void browserUrl(String url) {
	  if(StringUtils.isEmpty(url)){
	    return;
	  }
	  openUrl(url);
	}
	......
}

C++ 程序:

static void _MiddlewareJNI_Native_Init(JNIEnv *env)
{
   
    if (pthread_key_create(&g_EnvKey, _JNI_ThreadDestructor))
        return ;
    pthread_setspecific(g_EnvKey, env);
    jclass clazz;
    if (!(clazz = env->FindClass(TEST_CLASS_PATH_NAME)))
        return ;
    g_InstanceID = env->GetFieldID(clazz, "mNativeContext", "I");
}


static void _MiddlewareJNI_openUrl(JNIEnv *env, jobject thiz, jstring jUrl)
{
   
    MiddlewareJNI* mv = (MiddlewareJNI*)env->GetIntField(thiz, g_InstanceID);
    if (mv) {
        const char* url = env->GetStringUTFChars(jUrl, 0);
        if (url) {
            mv->openUrl(url);
            env->ReleaseStringUTFChars(jUrl, url);
        }
    }
}

static JNINativeMethod sMethods[] =
{
    {"nativeinit",             "()V",                                      (void*)_MiddlewareJNI_Native_Init},
    {"openUrl",                "(Ljava/lang/String;)V",                   (void*)_MiddlewareJNI_openUrl}
};


jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
    jclass clazz = NULL;
    JNIEnv* env = NULL;
    if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK)
        return JNI_ERR;

    if (!(clazz = env->FindClass(TEST_CLASS_PATH_NAME)))
        return JNI_ERR;

    env->RegisterNatives(clazz, sMethods, sizeof(sMethods) / sizeof(sMethods[0]));
    g_JavaVM = vm;
    return JNI_VERSION_1_4;
}

        涉及到一些項目信息，爲不體現具體項目內容，本文的例子都做過相關修改。以上代碼段是測試實現的例子，Test應用實現成一個testmw_jni 的so文件中。因此，在該JNI方法能夠被調用之前，我們首先要將它加載到當前應用程序進程來，這是通過調用System類的靜態成員函數loadLibrary來實現的。當libtestmw_jni .so文件被加載的時候，函數JNI_OnLoad就會被調用。在函數JNI_OnLoad中，參數vm描述的是當前進程中的Dalvik虛擬機，通過調用它的成員函數GetEnv就可以獲得一個JNIEnv對象。有了這JNIEnv對象之後，我們就可以調用另外一個函數RegisterNatives來向當前進程中的Dalvik虛擬機註冊JNI方法，如上面代碼段描述的nativeinit。註冊過程，將java層的nativeinit() 函數與C/C++ 中的_MiddlewareJNI_Native_Init函數對應起來了。

        從上述代碼段中註冊過程可以看出，JAVA層的函數前帶有Java 關鍵字native，它表示對應函數將由JNI層來實現。在JNI層中與之對應的函數都使用static函數。

2.1 JNI數據類型轉換規則

         在java調用Native函數傳遞的參數是java數據類型，那麼這些參數類型到了JNI會如何對應需要遵守JNI數據類型轉換規則。Java 數據類型分爲基本數據類型和引用數據類型兩種，JNI層也是區分對待這二者的。詳見表2-1 及表2-2。

               表2-1，基本數據類型的轉換關係表

JAVA	Native 類型	符號屬性	字長
boolean	jboolean	無符號	8位
byte	jbyte	無符號	8位
char	jchar	無符號	16位
short	jshort	有符號	16位
int	jint	有符號	32位
long	jlong	有符號	64位
float	jfloat	有符號	32位
double	jdouble	有符號	64位

                     表2-2 Java 引用數據類型轉換表

Java引用類型	Native 類型	Java引用類型	Native類型
All objects	jobject	char[]	jcharArray
java.lang.Class 實例	jclass	short[]	jshortArray
java.lang.String 實例	jstring	int[]	jintArray
Object[]	jobjectArray	long[]	jlongArray
boolean[]	jbooleanArray	float[]	jfloatArray
byte[]	jbyteArray	double[]	jdoubleArray
java.lang.Trowable實例	jthrowable

 

2.2 JNI命名規則與簽名規則

        JNI實現方法與Java聲明方法是不同的，例如：Java層聲明的Native方法名是openUrl，而其對應的JNI實現方法的方法名卻是_MiddlewareJNI_openUrl。可見，除了數據類型有對應關係外，方法名也有對應關係。JNI 接口指針是JNI實現方法的第一個參數，其類型是JNIEnv。第二個參數因本地方法是靜態還是非靜態而有所不同。非靜態本地方法的第二個參數是對Java對象的引用，而靜態本地方法的第二個參數是對其 Java 類的引用，其餘的參數都對應於Java 方法的參數。JNI規範裏提供了JNI實現方法的命名規則，方法名由以下幾部分串接而成：
        Java_前綴
        全限定的類名
       下劃線（_）分隔符
       增加第一參數JNIEnv* env
       增加第二個參數jobject
       其他參數按類型映射
       返回值按類型映射

 再看一段註冊代碼：

static JNINativeMethod sMethods[] =

{

    ......

     {"openUrl",   "(Ljava/lang/String;)V",    (void*)_MiddlewareJNI_openUrl},

    ......

}

其中"(Ljava/lang/String;)V"字符是簽名信息，有參數類型和返回值共同組成。之所以要簽名是因爲Java支持函數重載，可以定義相同的函數，不同的參數。僅僅通過函數名沒有辦法找到具體函數，爲了解決這一問題，JNI技術將參數類型和返回值類型組合成一個函數的簽名信息，有了簽名信息和函數名，很順利能找到java中的函數了。

JNI規範定義的簽名格式如下：

（參數1類型標示參數2類型標示... 參數n類型標示）返回值類型標示

常見的類型標示示意如表2-3，java還存在其他簽名的方式，如函數簽名，這裏不一一舉例。

                    表2-3 類型標識示意圖

類型標示	Java類型	類型標示	Java類型
Z	boolean	F	float
B	byte	D	double
C	char	L/java/langaugeString	String
S	short	[I	int[]
I	int	[L/java/lang/object	Object[]
J	long

 

2.3. 正向和反向通信

    JNI是連通java層與C/C++層的橋樑，存在雙向通信，正向java層調用C/C++ 層，反向C/C++調用java層。 Java 調用native 方法比較簡單，framework中也有不少參考代碼。 上述代碼段也給出了示例，Java層調用native方法openUrl，JVM將會調用到native的_MiddlewareJNI_openUrl方法，其中在native method中，JNIEnv作爲第一個參數傳入，通過JNIEnv獲取相應對象來處理相關實現。

    反向通信是很容易使用錯誤，JNI開發最常見的錯誤就是濫用了JNIEnv接口。需要強調的是JNIEnv是跟線程相關的，而JavaVM是進程相關。要用的時候在不同線程中再通過JavaVM *jvm的方法來獲取與當前線程相關的JNIEnv*。

     正如前面所述，不論進程中有多少線程，JavaVM進程只有一份，JNIEnv與JavaVM關係如下：

     1.調用JavaVM的AttachCurrentThread函數，就可以得到這個線程的JNIEnv結構體，這樣就可以在後臺線程中回調java函數。

     2.在後臺線程退出前，需要調用JavaVM 的DetachCurrentThread 函數來釋放對應的資源。