Android NDK開發：JNI基礎篇

時間  2019-11-15
標籤 android ndk 開發 jni 基礎 欄目 Android 简体版
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注：原文地址html

 

1. JNI 概念

1.1 概念

JNI 全稱 Java Native Interface，Java 本地化接口，能夠經過 JNI 調用系統提供的 API。操做系統，不管是 Linux，Windows 仍是 Mac OS，或者一些彙編語言寫的底層硬件驅動都是 C/C++ 寫的。Java和C/C++不一樣 ，它不會直接編譯成平臺機器碼，而是編譯成虛擬機能夠運行的Java字節碼的.class文件，經過JIT技術即時編譯成本地機器碼，因此有效率就比不上C/C++代碼，JNI技術就解決了這一痛點，JNI 能夠說是 C 語言和 Java 語言交流的適配器、中間件，下面咱們來看看JNI調用示意圖：來自JNI開發系列①JNI概念及開發流程 - 簡書java

JNI 調用示意圖android

JNI技術經過JVM調用到各個平臺的API，雖然JNI能夠調用C/C++，可是JNI調用仍是比C/C++編寫的原生應用仍是要慢一點，不過對高性能計算來講，這點算不得什麼，享受它的便利，也要承擔它的弊端。git

1.2 JNI 與 NDK 區別

  • JNI：JNI是一套編程接口，用來實現Java代碼與本地的C/C++代碼進行交互；
  • NDK: NDK是Google開發的一套開發和編譯工具集，能夠生成動態連接庫，主要用於Android的JNI開發；

2. JNI 做用

  • 擴展：JNI擴展了JVM能力，驅動開發，例如開發一個wifi驅動，能夠將手機設置爲無限路由；
  • 高效： 本地代碼效率高，遊戲渲染，音頻視頻處理等方面使用JNI調用本地代碼，C語言能夠靈活操做內存；
  • 複用： 在文件壓縮算法 7zip開源代碼庫，機器視覺 OpenCV開放算法庫等方面能夠複用C平臺上的代碼，沒必要在開發一套完整的Java體系，避免重複發明輪子；
  • 特殊： 產品的核心技術通常也採用JNI開發，不易破解；

JNI在Android中做用：
JNI能夠調用本地代碼庫(即C/C++代碼)，並經過 Dalvik 虛擬機與應用層和應用框架層進行交互，Android中JNI代碼主要位於應用層和應用框架層；算法

  • 應用層: 該層是由JNI開發，主要使用標準JNI編程模型；
  • 應用框架層: 使用的是Android中自定義的一套JNI編程模型，該自定義的JNI編程模型彌補了標準JNI編程模型的不足；

補充知識點：

Java語言執行流程：編程

  • 編譯字節碼：Java編譯器編譯 .java源文件，得到.class 字節碼文件；
  • 裝載類庫：使用類裝載器裝載平臺上的Java類庫，並進行字節碼驗證；
  • Java虛擬機：將字節碼加入到JVM中，Java解釋器和即時編譯器同時處理字節碼文件，將處理後的結果放入運行時系統；
  • 調用JVM所在平臺類庫：JVM處理字節碼後，轉換成相應平臺的操做，調用本平臺底層類庫進行相關處理；

Java 語言執行流程數組

Java一次編譯處處執行: JVM在不一樣的操做系統都有實現，Java能夠一次編譯處處運行，字節碼文件一旦編譯好了，能夠放在任何平臺的虛擬機上運行；安全

3. 查看 jni.h 文件源碼方法

jni.h 頭文件就是爲了讓 C/C++ 類型和 Java 原始類型相匹配的頭文件定義。併發

能夠經過點擊 Android項目的含有#include <jni.h>的頭文件或 C/C++ 文件跳轉到 jni.h 頭文件查看；
若是沒有這樣的文件的話，能夠在 Android Studio 上新建一個類，隨便寫一個 native 方法，而後點擊紅色的方法，AS 會自動生成一個對應的 C 語言文件jnitest.c，就能夠找到 jni.h 文件了oracle

或者，經過 javah 命令javah cn.cfanr.testjni.JniTest，就能夠生成對應頭文件cn_cfanr_testjni_JniTest.h：

javah 生成的

4. JNI 數據類型映射

由頭文件代碼能夠看到，jni.h有不少類型預編譯的定義，而且區分了 C 和 C++的不一樣環境。

#ifdef HAVE_INTTYPES_H
# include <inttypes.h>      /* C99 */
typedef uint8_t         jboolean;       /* unsigned 8 bits */
typedef int8_t          jbyte;          /* signed 8 bits */
typedef uint16_t        jchar;          /* unsigned 16 bits */
typedef int16_t         jshort;         /* signed 16 bits */
typedef int32_t         jint;           /* signed 32 bits */
typedef int64_t         jlong;          /* signed 64 bits */
typedef float           jfloat;         /* 32-bit IEEE 754 */
typedef double          jdouble;        /* 64-bit IEEE 754 */
#else
typedef unsigned char   jboolean;       /* unsigned 8 bits */
typedef signed char     jbyte;          /* signed 8 bits */
typedef unsigned short  jchar;          /* unsigned 16 bits */
typedef short           jshort;         /* signed 16 bits */
typedef int             jint;           /* signed 32 bits */
typedef long long       jlong;          /* signed 64 bits */
typedef float           jfloat;         /* 32-bit IEEE 754 */
typedef double          jdouble;        /* 64-bit IEEE 754 */
#endif

/* "cardinal indices and sizes" */
typedef jint            jsize;

#ifdef __cplusplus
/*
 * Reference types, in C++
 */
class _jobject {};
class _jclass : public _jobject {};
class _jstring : public _jobject {};
class _jarray : public _jobject {};
class _jobjectArray : public _jarray {};
class _jbooleanArray : public _jarray {};
//……

typedef _jobject*       jobject;
typedef _jclass*        jclass;
typedef _jstring*       jstring;
typedef _jarray*        jarray;
typedef _jobjectArray*  jobjectArray;
typedef _jbooleanArray* jbooleanArray;
//……

#else /* not __cplusplus */

/*
 * Reference types, in C.
 */
typedef void*           jobject;
typedef jobject         jclass;
typedef jobject         jstring;
typedef jobject         jarray;
typedef jarray          jobjectArray;
typedef jarray          jbooleanArray;
//……

#endif

當是C++環境時，jobject, jclass, jstring, jarray 等都是繼承自_jobject類，而在 C 語言環境是，則它的本質都是空類型指針typedef void* jobject;

4.1 基本數據類型

下圖是Java基本數據類型和本地類型的映射關係，這些基本數據類型都是能夠直接在 Native 層直接使用的：

基本數據類型映射

 

4.2 引用數據類型

另外，還有引用數據類型和本地類型的映射關係：

引用數據類型映射

須要注意的是，

  • 1）引用類型不能直接在 Native 層使用，須要根據 JNI 函數進行類型的轉化後，才能使用;
  • 2）多維數組（含二維數組）都是引用類型，須要使用 jobjectArray 類型存取其值；

例如，二維整型數組就是指向一位數組的數組，其聲明使用方式以下：

//得到一維數組的類引用，即jintArray類型  
    jclass intArrayClass = env->FindClass("[I");   
    //構造一個指向jintArray類一維數組的對象數組，該對象數組初始大小爲length，類型爲 jsize
    jobjectArray obejctIntArray  =  env->NewObjectArray(length ,intArrayClass , NULL);

4.3 方法和變量 ID

一樣不能直接在 Native 層使用。當 Native 層須要調用 Java 的某個方法時，須要經過 JNI 函數獲取它的 ID，根據 ID 調用 JNI 函數獲取該方法；變量的獲取也是相似。ID 的結構體以下：

struct _jfieldID;                       /* opaque structure */
typedef struct _jfieldID* jfieldID;     /* field IDs */

struct _jmethodID;                      /* opaque structure */
typedef struct _jmethodID* jmethodID;   /* method IDs */

5. JNI 描述符

5.1域描述符

1）基本類型描述符

下面是基本的數據類型的描述符，除了 boolean 和 long 類型分別是 Z 和 J 外，其餘的描述符對應的都是Java類型名的大寫首字母。另外，void 的描述符爲 V

基本類型描述符

2）引用類型描述符

通常引用類型描述符的規則以下，注意不要丟掉「；」

L + 類描述符 + ;

如，String 類型的域描述符爲：

Ljava/lang/String;

數組的域描述符特殊一點，以下，其中有多少級數組就有多少個「[」，數組的類型爲類時，則有分號，爲基本類型時沒有分號

[ + 其類型的域描述符

例如：

int[]    描述符爲 [I
double[] 描述符爲 [D
String[] 描述符爲 [Ljava/lang/String;
Object[] 描述符爲 [Ljava/lang/Object;
int[][]  描述符爲 [[I
double[][] 描述符爲 [[D

對應在 jni.h 獲取 Java 的字段的 native 函數以下，name爲 Java 的字段名字，sig 爲域描述符

//C
jfieldID    (*GetFieldID)(JNIEnv*, jclass, const char*, const char*);
jobject     (*GetObjectField)(JNIEnv*, jobject, jfieldID);
//C++
jfieldID GetFieldID(jclass clazz, const char* name, const char* sig)
    { return functions->GetFieldID(this, clazz, name, sig); }
jobject GetObjectField(jobject obj, jfieldID fieldID)
    { return functions->GetObjectField(this, obj, fieldID); }

具體使用，後面會講到

5.2 類描述符

類描述符是類的完整名稱：包名+類名，java 中包名用 . 分割，jni 中改成用 / 分割
如，Java 中 java.lang.String 類的描述符爲 java/lang/String
native 層獲取 Java 的類對象，須要經過 FindClass() 函數獲取， jni.h 的函數定義以下：

//C
jclass  (*FindClass)(JNIEnv*, const char*);
//C++
jclass FindClass(const char* name)
    { return functions->FindClass(this, name); }

字符串參數就是類的引用類型描述符，如 Java 對象 cn.cfanr.jni.JniTest，對應字符串爲Lcn/cfanr/jni/JniTest; 以下：

jclass jclazz = env->FindClass("Lcn/cfanr/jni/JniTest;");

詳細用法的例子，後面會講到。

5.3 方法描述符

方法描述符須要將全部參數類型的域描述符按照聲明順序放入括號，而後再加上返回值類型的域描述符，其中沒有參數時，不須要括號，以下規則：

(參數……)返回類型

例如：

Java 層方法   ——>  JNI 函數簽名
String getString()  ——>  Ljava/lang/String;
int sum(int a, int b)  ——>  (II)I
void main(String[] args) ——> ([Ljava/lang/String;)V

另外，對應在 jni.h 獲取 Java 方法的 native 函數以下，其中 jclass 是獲取到的類對象，name 是 Java 對應的方法名字，sig 就是上面說的方法描述符

//C
jmethodID   (*GetMethodID)(JNIEnv*, jclass, const char*, const char*);
//C++
jmethodID GetMethodID(jclass clazz, const char* name, const char* sig)
    { return functions->GetMethodID(this, clazz, name, sig); }

不過在實際編程中，若是使用 javah 工具來生成對應的 native 代碼，就不須要手動編寫對應的類型轉換了。

6. JNIEnv 分析

JNIEnv 是 jni.h 文件最重要的部分，它的本質是指向函數表指針的指針（JavaVM也是），函數表裏面定義了不少 JNI 函數，同時它也是區分 C 和 C++環境的（由上面介紹描述符時也能夠看到），在 C 語言環境中，JNIEnv 是strut JNINativeInterface*的指針別名。

struct _JNIEnv;
struct _JavaVM;
typedef const struct JNINativeInterface* C_JNIEnv;

#if defined(__cplusplus)  
typedef _JNIEnv JNIEnv;   //C++中的 JNIEnv 類型
typedef _JavaVM JavaVM;
#else
typedef const struct JNINativeInterface* JNIEnv;  //C語言的 JNIEnv 類型
typedef const struct JNIInvokeInterface* JavaVM;
#endif

6.1 JNIEnv 特色

  • JNIEnv 是一個指針，指向一組 JNI 函數，經過這些函數能夠實現 Java 層和 JNI 層的交互，就是說經過 JNIEnv 調用 JNI 函數能夠訪問 Java 虛擬機，操做 Java 對象；
  • 全部本地函數都會接收 JNIEnv 做爲第一個參數；（不過 C++ 的JNI 函數已經對 JNIEnv 參數進行了封裝，不用寫在函數參數上）
  • 用做線程局部存儲，不能在線程間共享一個 JNIEnv 變量，也就是說 JNIEnv 只在建立它的線程有效，不能跨線程傳遞；相同的 Java 線程調用本地方法，所使用的 JNIEnv 是相同的，一個 native 方法不能被不一樣的 Java 線程調用；

6.2 JavaEnv 和 JavaVM 的關係

JNIEnv和Dalvik的JavaVM的關係-CSDN

  • 1）每一個進程只有一個 JavaVM（理論上一個進程能夠擁有多個 JavaVM 對象，但 Android 只容許一個），每一個線程都會有一個 JNIEnv，大部分 JNIAPI 經過 JNIEnv 調用；也就是說，JNI 全局只有一個 JavaVM，而可能有多個 JNIEnv；
  • 2）一個 JNIEnv 內部包含一個 Pointer，Pointer 指向 Dalvik 的 JavaVM 對象的 Function Table，JNIEnv 內部的函數執行環境來源於 Dalvik 虛擬機；
  • 3）Android 中每當一個Java 線程第一次要調用本地 C/C++ 代碼時，Dalvik 虛擬機實例會爲該 Java 線程產生一個 JNIEnv 指針；
  • 4）Java 每條線程在和 C/C++ 互相調用時，JNIEnv 是互相獨立，互不干擾的，這樣就提高了併發執行時的安全性；
  • 5）當本地的 C/C++ 代碼想要得到當前線程所想要使用的 JNIEnv 時，可使用 Dalvik VM 對象的 JavaVM* jvm->GetEnv()方法，該方法會返回當前線程所在的 JNIEnv*；
  • 6）Java 的 dex 字節碼和 C/C++ 的 .so 同時運行 Dalvik VM 以內，共同使用一個進程空間；

6.3 C 語言的 JNIEnv

由上面代碼可知，C 語言的JNIEnv 就是const struct JNINativeInterface*，而 JNIEnv* env就等價於JNINativeInterface** env，env 實際是一個二級指針，因此想要獲得 JNINativeInterface 結構體中定義的函數指針，就須要先獲取 JNINativeInterface 的一級指針對象*env，而後才能經過一級指針對象調用 JNI 函數，例如：
(*env)->NewStringUTF(env, "hello")

struct JNINativeInterface {
    void*       reserved0;
    void*       reserved1;
    void*       reserved2;
    void*       reserved3;

    jint        (*GetVersion)(JNIEnv *);
    jclass      (*DefineClass)(JNIEnv*, const char*, jobject, const jbyte*, jsize);
    jclass      (*FindClass)(JNIEnv*, const char*);
    jmethodID   (*FromReflectedMethod)(JNIEnv*, jobject);
    jfieldID    (*FromReflectedField)(JNIEnv*, jobject);
    /* spec doesn't show jboolean parameter */
    jobject     (*ToReflectedMethod)(JNIEnv*, jclass, jmethodID, jboolean);
    jclass      (*GetSuperclass)(JNIEnv*, jclass);
    jboolean    (*IsAssignableFrom)(JNIEnv*, jclass, jclass);
    /* spec doesn't show jboolean parameter */
    jobject     (*ToReflectedField)(JNIEnv*, jclass, jfieldID, jboolean);
      //……定義了一系列關於 Java 操做的函數
}

6.4 C++的 JNIEnv

由typedef _JNIEnv JNIEnv;可知，C++的 JNIEnv 是 _JNIEnv 結構體，而 _JNIEnv 結構體定義了 JNINativeInterface 的結構體指針，內部定義的函數其實是調用 JNINativeInterface 的函數，因此C++的 env 是一級指針，調用時不須要加 env 做爲函數的參數，例如：env->NewStringUTF(env, "hello")

struct _JNIEnv {
    /* do not rename this; it does not seem to be entirely opaque */
    const struct JNINativeInterface* functions;
#if defined(__cplusplus)
    jint GetVersion()
    { return functions->GetVersion(this); }

    jclass DefineClass(const char *name, jobject loader, const jbyte* buf, jsize bufLen)
    { return functions->DefineClass(this, name, loader, buf, bufLen); }

    jclass FindClass(const char* name)
    { return functions->FindClass(this, name); }

    jmethodID FromReflectedMethod(jobject method)
    { return functions->FromReflectedMethod(this, method); }

    jfieldID FromReflectedField(jobject field)
    { return functions->FromReflectedField(this, field); }

    jobject ToReflectedMethod(jclass cls, jmethodID methodID, jboolean isStatic)
    { return functions->ToReflectedMethod(this, cls, methodID, isStatic); }

    jclass GetSuperclass(jclass clazz)
    { return functions->GetSuperclass(this, clazz); }
    //……
}

7. JNI 的兩種註冊方式

Java 的 native 方法是如何連接 C/C++中的函數的呢？能夠經過靜態和動態的方式註冊JNI。

7.1靜態註冊

原理：根據函數名創建 Java 方法和 JNI 函數的一一對應關係。流程以下：

  • 先編寫 Java 的 native 方法；
  • 而後用 javah 工具生成對應的頭文件，執行命令 javah packagename.classname能夠生成由包名加類名命名的 jni 層頭文件，或執行命名javah -o custom.h packagename.classname，其中 custom.h 爲自定義的文件名；
  • 實現 JNI 裏面的函數，再在Java中經過System.loadLibrary加載 so 庫便可；

靜態註冊的方式有兩個重要的關鍵詞 JNIEXPORT 和 JNICALL，這兩個關鍵詞是宏定義，主要是註明該函數式 JNI 函數，當虛擬機加載 so 庫時，若是發現函數含有這兩個宏定義時，就會連接到對應的 Java 層的 native 方法。

由前面3. 查看 jni.h 文件源碼方法生成頭文件的方法，從新建立一個cn.cfanr.test_jni.Jni_Test.java的類

public class Jni_Test {
    private static native int swap();

    private static native void swap(int a, int b);

    private static native void swap(String a, String b);

    private native void swap(int[] arr, int a, int b);

    private static native void swap_0(int a, int b);
}

用 javah 工具生成如下頭文件：

#include <jni.h>
/* Header for class cn_cfanr_test_jni_Jni_Test */

#ifndef _Included_cn_cfanr_test_jni_Jni_Test
#define _Included_cn_cfanr_test_jni_Jni_Test
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     cn_cfanr_test_jni_Jni_Test
 * Method:    swap
 * Signature: ()I
 */
JNIEXPORT jint JNICALL Java_cn_cfanr_test_1jni_Jni_1Test_swap__
  (JNIEnv *, jclass);    // 凡是重載的方法，方法後面都會多一個下劃線

/*
 * Class:     cn_cfanr_test_jni_Jni_Test
 * Method:    swap
 * Signature: (II)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_cfanr_test_1jni_Jni_1Test_swap__II
  (JNIEnv *, jclass, jint, jint);

/*
 * Class:     cn_cfanr_test_jni_Jni_Test
 * Method:    swap
 * Signature: (Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_cfanr_test_1jni_Jni_1Test_swap__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_String_2
  (JNIEnv *, jclass, jstring, jstring);

/*
 * Class:     cn_cfanr_test_jni_Jni_Test
 * Method:    swap
 * Signature: ([III)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_cfanr_test_1jni_Jni_1Test_swap___3III
  (JNIEnv *, jobject, jintArray, jint, jint);  // 非 static 的爲 jobject

/*
 * Class:     cn_cfanr_test_jni_Jni_Test
 * Method:    swap_0
 * Signature: (II)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_cfanr_test_1jni_Jni_1Test_swap_10   
  (JNIEnv *, jclass, jint, jint);   // 不知道爲何後面沒有 II

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

 

能夠看出 JNI 的調用函數的定義是按照必定規則命名的：
JNIEXPORT 返回值 JNICALL Java_全路徑類名_方法名_參數簽名(JNIEnv* , jclass, 其它參數);
其中 Java_ 是爲了標識該函數來源於 Java。經檢驗（不必定正確），若是是重載的方法，則有「參數簽名」，不然沒有；另外若是使用的是 C++，在函數前面加上 extern 「C」（表示按照 C 的方式編譯），函數命名後面就不須要加上「參數簽名」。

另外還須要注意幾點特殊規則：（參考：官方JNI規範翻譯 | linlinjava的博客 2.2.1 本地方法名解析）

  • 1. 包名或類名或方法名中含下劃線 _ 要用 _1 鏈接；
  • 2. 重載的本地方法命名要用雙下劃線 __ 鏈接；
  • 3. 參數簽名的斜槓 「/」 改成下劃線 「_」 鏈接，分號 「;」 改成 「_2」 鏈接，左方括號 「[」 改成 「_3」 鏈接；
    另外，對於 Java 的 native 方法，static 和非 static 方法的區別在於第二個參數，static 的爲 jclass，非 static 的 爲 jobject；JNI 函數中是沒有修飾符的。

優勢：
實現比較簡單，能夠經過 javah 工具將 Java代碼的 native 方法直接轉化爲對應的native層代碼的函數；
缺點：

  • javah 生成的 native 層函數名特別長，可讀性不好；
  • 後期修改文件名、類名或函數名時，頭文件的函數將失效，須要從新生成或手動改，比較麻煩；
  • 程序運行效率低，首次調用 native 函數時，須要根據函數名在 JNI 層搜索對應的本地函數，創建對應關係，有點耗時；

7.2 動態註冊

原理：直接告訴 native 方法其在JNI 中對應函數的指針。經過使用 JNINativeMethod 結構來保存 Java native 方法和 JNI 函數關聯關係，步驟：

  • 先編寫 Java 的 native 方法；
  • 編寫 JNI 函數的實現（函數名能夠隨便命名）；
  • 利用結構體 JNINativeMethod 保存Java native方法和 JNI函數的對應關係；
  • 利用registerNatives(JNIEnv* env)註冊類的全部本地方法；
  • 在 JNI_OnLoad 方法中調用註冊方法；
  • 在Java中經過System.loadLibrary加載完JNI動態庫以後，會調用JNI_OnLoad函數，完成動態註冊；
//JNINativeMethod結構體
typedef struct {
    const char* name;       //Java中native方法的名字
    const char* signature;  //Java中native方法的描述符
    void*       fnPtr;      //對應JNI函數的指針
} JNINativeMethod;

/**
 * @param clazz java類名，經過 FindClass 獲取
 * @param methods JNINativeMethod 結構體指針
 * @param nMethods 方法個數
 */
jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods, jint nMethods)

//JNI_OnLoad 
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved);

因爲篇幅緣由，具體的靜態註冊、動態註冊、數據類型映射和描述符的練習放到下一篇文章。

注：文章經過閱讀 JNI 的文檔和參照網上的博客總結出來的，若有錯誤，還望指出！

參考：
JNI開發系列①JNI概念及開發流程 - 簡書
JNI 數據類型映射、域描述符說明 - qinjuning - CSDN博客
Android JNI 之 JNIEnv 解析 - 韓曙亮 - CSDN博客
Android 開發 之 JNI入門 - NDK從入門到精通 -韓曙亮 - CSDN博客
JNI 兩種註冊過程實戰 - Android - 掘金
Andoid NDK編程 註冊native函數 // Coding Life

擴展閱讀：
JNI 使用指南-胡凱
JNI 經常使用函數大全 qinjuning- CSDN博客
Android JNI原理分析 - Gityuan博客 | 袁輝輝博客
JNI API 文檔 (Java8): Java Native Interface Specification
官方JNI API 規範翻譯 | linlinjava的博客

做者：cfanr 連接：https://www.jianshu.com/p/ac00d59993aa 來源：簡書 著做權歸做者全部。商業轉載請聯繫做者得到受權，非商業轉載請註明出處。

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