Android NDK開發之JNI基礎

時間  2019-11-16
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前言

以前寫了一篇文章簡單的介紹了Android NDK的組件和結構，以及在Android studio中開發NDK，NDK是Android底層的c/c++庫，然而要在java中調用c/c++的原生功能，則須要使用JNI來實現。java

什麼是JNI

JNI(Java Native Interface)是java本地接口，它主要是爲了實現Java調用c、c++等本地代碼所封裝的一層接口。你們都知道java是跨平臺開發語言，它的狂平臺特性致使與本地交互的能力不夠強大，一些和操做系統相關的特性Java沒法完成，因此Java提供了JNI用於和Native代碼進行交互。經過JNI，Java能夠調用c、c++，相反，c、c++也能夠調用Java的相關代碼。c++

建立NDK工程

開發環境

  • Mac
  • Android studio：3.3.2

新建工程

本地的Android studio版本爲3.3.2，當你建立項目的時候有一個選項是選擇Native C++的模板
數組

點擊next，配置項目的信息app

點擊next，選擇使用哪一種C++標準，選擇Toolchain Default會使用默認的CMake設置便可。
函數

點擊finish便可完成工程的建立。性能

工程結構

這時候主工程目錄下會有cpp文件夾和.externalNativeBuild文件夾。
gradle

.externalNativeBuild文件夾：用於存放cmake編譯好的文件，包括支持的各類硬件等信息，有點相似於build.gradle文件明確Gradle如何編譯APP；
cpp文件夾：存放C/C++代碼文件，native-lib.cpp文件默認生成的；ui

cpp文件夾下有兩個文件，一個是native-lib.cpp文件，一個是CMakeLists.txt文件。CMakeLists.txt文件是cmake腳本配置文件，cmake會根據該腳本文件中的指令去編譯相關的C/C++源文件，並將編譯後產物生成共享庫或靜態塊，而後Gradle將其打包到APK中。this

CMakeLists.txt的相關配置以下：編碼

# 設置構建本地庫所需的最小版本的cbuild。
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
# 建立並命名一個庫，將其設置爲靜態
# 或者共享，並提供其源代碼的相對路徑。
# 您能夠定義多個庫，而cbuild爲您構建它們。
# Gradle自動將共享庫與你的APK打包。
add_library( native-lib       #設置庫的名稱。即SO文件的名稱，生產的so文件爲「libnative-lib.so」,                                在加載的時候「System.loadLibrary("native-lib");」
             SHARED            # 將庫設置爲共享庫。
             native-lib.cpp    # 提供一個源文件的相對路徑
             helloJni.cpp      # 提供同一個SO文件中的另外一個源文件的相對路徑
           )
# 搜索指定的預構建庫，並將該路徑存儲爲一個變量。由於cbuild默認包含了搜索路徑中的系統庫，因此您只須要指定您想要添加的公共NDK庫的名稱。cbuild在完成構建以前驗證這個庫是否存在。
find_library(log-lib   # 設置path變量的名稱。
             log       #  指定NDK庫的名稱 你想讓CMake來定位。
             )
#指定庫的庫應該連接到你的目標庫。您能夠連接多個庫，好比在這個構建腳本中定義的庫、預構建的第三方庫或系統庫。
target_link_libraries( native-lib    # 指定目標庫中。與 add_library的庫名稱必定要相同
                       ${log-lib}    # 將目標庫連接到日誌庫包含在NDK。
                       )
#若是須要生產多個SO文件的話，寫法以下
add_library( natave-lib       # 設置庫的名稱。另外一個so文件的名稱
             SHARED           # 將庫設置爲共享庫。
             nataveJni.cpp    # 提供一個源文件的相對路徑
            )
target_link_libraries( natave-lib     #指定目標庫中。與 add_library的庫名稱必定要相同
                       ${log-lib}     # 將目標庫連接到日誌庫包含在NDK。
                        )

build.gradle中有CMake的相關配置

代碼結構

java調用c、c++代碼分爲三個步驟：

  1. 加載so庫
  2. 編寫java函數
  3. 編寫c函數

在MainActivity.java，static{}語句中使用了加載so庫，此語句在類加載中只執行一次。

static {
        System.loadLibrary("native-lib");
}

而後，編寫了原生的函數，函數名中要帶有native。

public native String stringFromJNI();

最後，編寫相對應的c函數，注意函數名的構成Java_com_example_myapplication_MainActivity_stringFromJNI爲Java_加上包名、類型、方法名的下劃線連成一塊兒。

native-lib.cpp文件

#include <jni.h>
#include <string>

extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_stringFromJNI(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */) {
    std::string hello = "Hello from C++";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

這就是一個JNI方法調用示例。

雖然Java函數不帶參數，可是原生方法卻帶了兩個參數，第一個參數JNIEnv是指向可用JNI函數表的接口指針，第二個參數jobject是Java函數所在類的實例的Java對象引用。

JNIEnv接口指針

原生代碼(c)經過JNIEnv接口指針提供的各類函數來使用虛擬機的功能，JNIEnv是一個指向線程-局部數據的指針，線程-局部數據中包含指向函數表的指針。

原生代碼是c與原生代碼是c++的調用JNI函數的語法不一樣，在c代碼中，JNIEnv是指向JNINativeInterface結構的指針，而在c++代碼中，JNIEnv是c++類實例，這兩種方式調用函數的方式是不同的。例如：

c代碼中：

(*env)->NewStringUTF(env,"Hello from JNI");

c++代碼中：

env->NewStringUTF("Hello from JNI");

實例方法與靜態方法

Java程序設計有兩類方法，實例方法和靜態方法。實例方法與類實例相關，只能在類實例中調用。靜態方法不與類死裏相關，它們能夠在靜態上下文中直接調用。在原生代碼中能夠獲取Java類的實例引用和類引用。例如：

類實例引用

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_stringFromJNI(
        JNIEnv *env,
        jobject  thiz) {
}

類引用

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_myapplication_MainActivity_stringFromJNI(
        JNIEnv *env,
        jclass  clazz) {
}

從函數中看出來，JNI提供了本身的數據類型從而讓原生代碼瞭解Java數據類型。

JNI數據類型

JNI的數據類型包含兩種：基本類型和引用類型。與Java數據類型的對應關係以下：

基本數據類型：

| JNI類型 | Java類型 |
| ------ | ------ |
| jboolean | boolean |
| jbyte | byte |
| jchar | char |
| jshort | short |
| jint | int |
| jlong | long |
| jfloat | float |
| jdouble | double |
| void | void |

引用類型：

| JNI類型 | Java類型 |
| ------ | ------ |
| jobject | Object |
| jclass | Class |
| jstring | String |
| jobjectArray | Object[] |
| jbooleanArray | boolean[] |
| jbyteArray | char[] |
| jshortArray | short[] |
| jintArray | int[] |
| jlongArray | long[] |
| jfloatArray | float[] |
| jdoubleArray | double[] |
| jthrowable | Throwable |

引用數據類型的操做

JNI提供了與引用類型密切相關的一組API，這些API經過JNIEnv接口指針提供給原生函數。例如：

  • 字符串
  • 數組
  • NIO緩衝區
  • 字段
  • 方法

字符串操做

JNI把Java字符串當成引用類型處理，提供了Java與c字符串之間相互轉換的必要函數，因爲Java字符串對象是不可變得，因此JNI不提供修改現有Java字符串內容的函數。

建立字符串

能夠在原生代碼中使用NewString函數構建Unicode編碼格式的字符串實例，也能夠中NewStringUTF函數構建UTF-8編碼格式的字符串實例，這些函數以C字符串爲參數，並返回一個Java字符串引用類型jstring值。例如:

jstring javaStr = (*env)->NewStringUTF(env,"Hello");

把Java字符串轉換成C字符串

爲了在原生代碼中使用Java字符串，須要將Java字符串轉換成C字符串。用GetStringChars函數能夠將Unicode格式的Java字符串轉換成C字符串，用GetStringUTFChars函數能夠將UTF-8格式的Java字符串轉換成C字符串。例如：

const jbyte* str
jboolean isCopy;
str = (*env)->GetStringUTFChars(env,javaString,&isCopy);

釋放字符串

經過JNI GetStringChars函數和GetStringUTFChars函數得到的C字符串在原生代碼中使用完後要釋放，不然會引發內存泄漏。JNI提供了ReleaseStringChars函數和ReleaseStringUTFChars函數來釋放Unicode編碼和UTF-8編碼格式的字符串。例如：

(*env)->ReleaseStringUTFChars(env,javaString,str);

數組操做

建立數組

用New"Type"Array函數在原生代碼中建立數組實例，其中"Type"能夠是Int、Char等類型，例如：

jintArray javaArray = (*env)->NewIntArray(env,10);

訪問數組元素

將數組的代碼複製成C數組或者讓JNI提供直接指向數組元素的指針方式來訪問Java數組元素。

對副本的操做

Get"Type"ArrayRegion函數將給定的基本Java數組複製到給定的C數組中，例如：

jint nativeArray[10];
    (*env)->GetIntArrayRegion(env,javaArray,0,10,nativeArray);

原生代碼可使用和修改數組元素，使用Set"Type"ArrayRegion函數將C數組複製回Java數組中。例如：

(*env)->SetIntArrayRegion(env,javaArray,0,10,nativeArray);

NIO操做

JNI提供了在原生代碼中使用NIO的函數，與數組操做相比，NIO性能較好，更適合在原生代碼和Java應用程序之間傳送大量數據。

建立直接字節緩衝區

unsigned char* buffer = (unsigned char*) malloc(1024);
jobject directBuffer = (*env)->NewDirectByteBuffer(env,buffer,1024);

注意：原生函數應用經過釋放未使用的內存分配以免內存泄漏。

獲取直接字節緩衝區

unsigned char* buffer;
buffer = (unsigned char*)(*env)->GetDirectBufferAddress(env,directBuffer);

訪問域

Java有兩類域：實例域和靜態域，這兩個的區別就是有沒有static聲明靜態。

獲取域ID

JNI提供了用域ID訪問兩類域的方法，能夠經過給定實例的class對象獲取域ID，用GetObjectClass函數來獲取class對象。例如：

jclass clazz = (*env)->GetObjectClass(env,instance);

用GetFieldId函數來獲取實例域。

jfieldId instanceFieldId = (*env)->GetFieldId(env,clazz,"instanceField","Ljava/lang/String");

用GetStaticFieldId獲取靜態域ID。

jfieldID staticFieldId = (*env)->GetStaticFieldID(env,clazz,"staticField","Ljava/lang/String");

其中最後一個參數是Java中表示域類型的域描述符，"Ljava/lang/String"代表域類型是String。

獲取域

得到域ID以後能夠用Get"Type"Field函數獲取實際的實例域。例如：

jstring instanceField = (*env)->GetObjectField(env,instance,instanceFieldId);

用GetStatic"Type"Field函數得到靜態域。例如：

jstring staticField = (*env)->GetStaticObjectField(env,clazz,staticFieldId);

調用方法

與域相似，Java中有兩類方法：實例方法和靜態方法。

獲取方法ID

JNI提供了用方法ID訪問兩類方法的途徑，能夠用給定實例的class對象獲取方法ID，用GetMethodID函數得到實例方法的方法ID。例如：

jmethodID instanceMethodId = (*env)->GetMethodID(env,clazz,"instanceMethod","()Ljava/lang/String;");

用GetStaticMethodID函數得到靜態域的方法ID，例如：

jmethodID staticMethodId=(*env)->GetStaticMethodID(env,clazz,"staticMethod","()Ljava/lang/String;");

調用方法

以方法ID爲參數經過Call"Type"Method類函數調用實際的實例方法。例如：

jstring instanceMethodResult = (*env)->CallStringMetthod(env,instance,instanceMethodId);

用CallStatic"Type"Field類函數調用靜態方法，例如：

jstring staticMethodResult = (*env)->CallStaticStringMethod(env,clazz,staticMethodId);

域和方法描述符

在上面獲取域ID和方法ID均分別須要域描述符和方法描述符，域描述符和方法描述符能夠經過下表Java類型簽名映射獲取：

| Java類型 | 簽名|
| ------ | ------ |
| Boolean | Z |
| Byte | B |
| Char | C |
| Short | S |
| Long | J |
| Int | I |
| Float | F |
| Double | D |
| void | V |
| fully-qualified-class | Lfully-qualified-class |
| type[] | [type |
| method type | (arg-type)ret-type |

類的簽名採用"L+包名+類名+;"的形式，將其中的.替換爲/便可，好比java.lang.String，它的簽名爲Ljava/lang/String;數組的簽名就是[+類型簽名，好比int數組，簽名就是[I，多維數組就是[[I。方法的簽名爲(參數類型簽名)+返回值類型簽名，例如:boolean fun1(int a,double b,int[] c)，其中參數類型的簽名爲ID[I，返回值類型的簽名爲Z，因此這個方法的簽名就是(ID[I)Z。

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