Android JNI 介绍

一：JNI 概述

        JNI全称为Java Native Interface，它能够使在Java虚拟机中运行的Java代码去操作用其他异于Java的编程语言（如C/C++）所编写的程序和库。通俗地说，JNI是一种技术，通过这种技术可以做到如下两点：

   1. 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。

   2. Native程序中的函数可以调用java层的函数，也就是说在C/C++程序中可以调用Java 函数。

       在Android 平台上，JNI就是一座将Native 世界和java世界之间通途的桥，并在大量使用，如surface、mediaPlayer 等等。看图1-1展示了Android 平台上JNI所处的位置：

                 

                   图1-1 Android 平台中JNI的示意图

    

由上图可知，JNI将java与Native空间紧密联系在一起了。在很多linux版本应用移植到Android 平台上也可能使用JNI，如一下视频播放器可以通过JNI无缝过渡到Android平台上来。

二：JNI 函数注册

         在介绍JNI函数注册前，先介绍两个JNI使用中重要的概念：JavaVM与JNIEnv。JavaVM与JNIEnv 本质上都是指向函数表的指针的指针，在C++版本中，它们被定义成类，类里面包含一个指向函数表的指针。具体参见头文件定义dalvik\libnativehelper\include\nativehelper\jni.h。JNIEnv是一个与线程相关的变量，不同线程的JNIEnv彼此独立。JavaVM是虚拟机在JNI层的代表，在一个虚拟机进程中只有一个JavaVM，因此该进程的所有线程都可以使用这个JavaVM。

        JNI方法是Android应用程序与本地操作系统直接进行通信的一个手段，这就需要将JAVA与C/C++函数注册到JNIEnv中，从下面代码段可以看出注册过程。

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;
}

        涉及到一些项目信息，为不体现具体项目内容，本文的例子都做过相关修改。以上代码段是测试实现的例子，Test应用实现成一个testmw_jni 的so文件中。因此，在该JNI方法能够被调用之前，我们首先要将它加载到当前应用程序进程来，这是通过调用System类的静态成员函数loadLibrary来实现的。当libtestmw_jni .so文件被加载的时候，函数JNI_OnLoad就会被调用。在函数JNI_OnLoad中，参数vm描述的是当前进程中的Dalvik虚拟机，通过调用它的成员函数GetEnv就可以获得一个JNIEnv对象。有了这JNIEnv对象之后，我们就可以调用另外一个函数RegisterNatives来向当前进程中的Dalvik虚拟机注册JNI方法，如上面代码段描述的nativeinit。注册过程，将java层的nativeinit() 函数与C/C++ 中的_MiddlewareJNI_Native_Init函数对应起来了。

        从上述代码段中注册过程可以看出，JAVA层的函数前带有Java 关键字native，它表示对应函数将由JNI层来实现。在JNI层中与之对应的函数都使用static函数。

2.1 JNI数据类型转换规则

         在java调用Native函数传递的参数是java数据类型，那么这些参数类型到了JNI会如何对应需要遵守JNI数据类型转换规则。Java 数据类型分为基本数据类型和引用数据类型两种，JNI层也是区分对待这二者的。详见表2-1 及表2-2。

               表2-1，基本数据类型的转换关系表

JAVA	Native 类型	符号属性	字长
boolean	jboolean	无符号	8位
byte	jbyte	无符号	8位
char	jchar	无符号	16位
short	jshort	有符号	16位
int	jint	有符号	32位
long	jlong	有符号	64位
float	jfloat	有符号	32位
double	jdouble	有符号	64位

                     表2-2 Java 引用数据类型转换表

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

 

2.2 JNI命名规则与签名规则

        JNI实现方法与Java声明方法是不同的，例如：Java层声明的Native方法名是openUrl，而其对应的JNI实现方法的方法名却是_MiddlewareJNI_openUrl。可见，除了数据类型有对应关系外，方法名也有对应关系。JNI 接口指针是JNI实现方法的第一个参数，其类型是JNIEnv。第二个参数因本地方法是静态还是非静态而有所不同。非静态本地方法的第二个参数是对Java对象的引用，而静态本地方法的第二个参数是对其 Java 类的引用，其余的参数都对应于Java 方法的参数。JNI规范里提供了JNI实现方法的命名规则，方法名由以下几部分串接而成：
        Java_前缀
        全限定的类名
       下划线（_）分隔符
       增加第一参数JNIEnv* env
       增加第二个参数jobject
       其他参数按类型映射
       返回值按类型映射

 再看一段注册代码：

static JNINativeMethod sMethods[] =

{

    ......

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

    ......

}

其中"(Ljava/lang/String;)V"字符是签名信息，有参数类型和返回值共同组成。之所以要签名是因为Java支持函数重载，可以定义相同的函数，不同的参数。仅仅通过函数名没有办法找到具体函数，为了解决这一问题，JNI技术将参数类型和返回值类型组合成一个函数的签名信息，有了签名信息和函数名，很顺利能找到java中的函数了。

JNI规范定义的签名格式如下：

（参数1类型标示参数2类型标示... 参数n类型标示）返回值类型标示

常见的类型标示示意如表2-3，java还存在其他签名的方式，如函数签名，这里不一一举例。

                    表2-3 类型标识示意图

类型标示	Java类型	类型标示	Java类型
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是连通java层与C/C++层的桥梁，存在双向通信，正向java层调用C/C++ 层，反向C/C++调用java层。 Java 调用native 方法比较简单，framework中也有不少参考代码。 上述代码段也给出了示例，Java层调用native方法openUrl，JVM将会调用到native的_MiddlewareJNI_openUrl方法，其中在native method中，JNIEnv作为第一个参数传入，通过JNIEnv获取相应对象来处理相关实现。

    反向通信是很容易使用错误，JNI开发最常见的错误就是滥用了JNIEnv接口。需要强调的是JNIEnv是跟线程相关的，而JavaVM是进程相关。要用的时候在不同线程中再通过JavaVM *jvm的方法来获取与当前线程相关的JNIEnv*。

     正如前面所述，不论进程中有多少线程，JavaVM进程只有一份，JNIEnv与JavaVM关系如下：

     1.调用JavaVM的AttachCurrentThread函数，就可以得到这个线程的JNIEnv结构体，这样就可以在后台线程中回调java函数。

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