【Android学习之】深入理解JNI

经过一周多的时间，这篇博客终于码完了。这篇博客主要是为了帮助大家深入理解JNI，写这篇博客主要是因为前段时间去面试，面试有道25分的简答题就是让我概述Android JNI 的调用过程，当时我就懵逼了，我除了知道JNI是“Java  native interface”的缩写外，其他什么都不知道。好了，废话少说，下面为大家开始介绍JNI：

1、JNI概述

JNI 是  Java Native Interfa  的缩写，中文译为“Java 本地调用”。通俗的说JNI是一种技术，通过这种技术我们可以做到以下两点：

 1）Java 程序中的函数可以调用 Native 语言写的函数，Nativ 一般指的是C/C++编写的函数；

 2）Native 中的函数也可以调用Java层的函数。

再往直白点说就是 可以实现  Java 和 C/C++ 之间的相互调用 。有人可能会问，在平台无关的Java中为什么要创建一个与Native相关的ＪＮＩ技术呢？这会不会破坏 Java 的平台无关特性。ＪＮＩ技术推出有以下两个方面的考虑：

１、承载Java世界的虚拟机是用Native语言写的，而虚拟机又运行在具体的平台上，所以虚拟机本身无法做到平台无关。然而有了JNI技术后就可以对Java层屏蔽不同操作系统平台（如Windows和Linux）之间的差异了（例如：打开一个文件，Windows用的是OpenFile函数，而Linux上API用的是open函数）。这样就能实现Java本身的平台无关性。其实Java一直在用JNI技术，只是我们平时很少用到罢了。

2、早在Java语言诞生之前，大多数程序都是用Native语言写的，他们遍布在软件世界的各个角落。Java出世之后，迅速发展，但无法将整个软件世界彻底改朝换代，于是乎就有了折中的办法。既然已经有Native模块实现了相关功能，那么在Java中使用ＪＮＩ技术调用他们不就行了。另外，一些要求效率和速度的场合还是需要Ｎａｔｉｖｅ语言参与的。

　　　　在Ａｎｄｒｏｉｄ平台上ＪＮＩ技术就是一座将Ｎａｔｉｖｅ世界和　Ｊａｖａ世界链接起来的桥梁，下图明确展示了ＪＮＩ在Ａｎｄｒｏｉｄ平台所处的位置：

                                                               

从上图我们可以知道JNI将JAVA世界和Native世界紧密的联系在一起。在Android平台上如果没有JNI技术支持Java我们将寸步难行。

2、通过MediaScanner实例介绍JNI

调用层次关系，图示：


JNI层必须实现为动态库的形式，这样Java虚拟机才能加载它并调用它的函数。

2.1JAVA层代码分析：MediaScanner.java

<span style="font-size:14px;">public class MediaScanner
 {
     static {  //static 语句，前面的 JAVA学习系列（一） 有说明过这个问题
     //加载对应用JNI库，linux上即调用libmedai_jni.so，而windows平台上调用libmedia_jni.dll
         System.loadLibrary("media_jni");
         native_init(); //调用native函数
     }


 //非native函数
 public void scanDirectories(String[] directories, String volumeName) 


 //声明native函数，native为JAVA语言的关键字
 private static native final void native_init();
     private native final void native_setup();
     private native final void native_finalize();
     private native void processDirectory(String path, String extensions, MediaScannerClient client);
 }
 </span>

    总结： 两个函数一个是加载jni动态库，另一个是声明java的native函数

2.2  JNI层的MediaScanner分析

MS在JNI层的代码为android_media_MediaScanner.cpp中

<span style="font-size:14px;">//①这个函数是native_init的JNI层实现。 

static void android_media_MediaScanner_native_init(JNIEnv *env) 

{ 

    jclass clazz; 

  

    clazz= env->FindClass("android/media/MediaScanner"); 

    ...... 

   fields.context = env->GetFieldID(clazz, "mNativeContext","I"); 

...... 

return; 

} 

  

//这个函数是processFile的JNI层实现。 

static void android_media_MediaScanner_processFile(JNIEnv*env, jobject thiz, 

jstring path, jstring mimeType, jobject client) 

{ 

    MediaScanner*mp = (MediaScanner *)env->GetIntField(thiz, fields.context); 

    ...... 

    constchar *pathStr = env->GetStringUTFChars(path, NULL); 

    ...... 

    if(mimeType) { 

       env->ReleaseStringUTFChars(mimeType, mimeTypeStr); 

    } 

} 
</span>

怎么会知道Java层的native_init函数对应的是JNI层的android_media_MediaScanner_native_init函数呢？下面就来回答这个问题。

首先来找下java层的native_init函数对应jni层的函数？
首先native_init函数位于android.media包中，它的全路径：android.media.MediaScanner.native_init，由于
在native语言中，"."有特殊的意义，所以用"_"来替换：即上面路径这为：android_media_MediaScanner_native_init
ok,函数名就如此关联起来了。而JNI函数注册有两种方式：
1、静态注册方法
a、编写java代码，然后编译生成.class文件
b、使用javah -o output packagename.classname生成jni层头文件
调用时先加载动态库，然后查找native_init函数的jni函数：android_media_MediaScanner_native_init
如果找到则建立这两个函数的关联关系，即保存jni层函数的函数指针，这个由虚拟机完成。
缺点：javah生成的函数名特别长，不利于书写，且第一次调用时需要根据函数名字搜索建立关联关系。

2、动态注册方法
   利用JNINativeMethod结构保存其关系
   typedef struct 
   {
   
//JAVA中native函数名字
   
const char *name;
   
//签名信息，用字符串表示，参数类型及返回值类型的组合
   
const char *signature;
   
///JNI层函数函数指针，转换为void*类型
   
void *fnPtr;
   };
   
static JNINativeMethod gMethods[] = {
    {"processDirectory",  "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)V",    
                                                        (void *)android_media_MediaScanner_processDirectory},
    {"processFile",       "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)V",    
                                                        (void *)android_media_MediaScanner_processFile},
    {"setLocale",         "(Ljava/lang/String;)V",      (void *)android_media_MediaScanner_setLocale},
    {"extractAlbumArt",   "(Ljava/io/FileDescriptor;)[B",     (void *)android_media_MediaScanner_extractAlbumArt},
    {"native_init",        "()V",                      (void *)android_media_MediaScanner_native_init},
    {"native_setup",        "()V",                      (void *)android_media_MediaScanner_native_setup},
    {"native_finalize",     "()V",                      (void *)android_media_MediaScanner_native_finalize},
};


这里说明一下签名信息：
因为JAVA支持函数重载，可以定义同名但不同参数的函数，但直接根据函数名是没法找到具体函数的，因此利用参数类型及返回类型
组成签名信息。


常用类型标识符：
类型标识   JAVA类型    字长
  Z        boolean      8位
  B        byte         8位
  C        char         16位 -- 注意哟,定义为unicode码
  S        short        16位
  I        int          32位
  J        long         64位
  F        float        32位
  D        double       64位
  L/java/languageString  String
  [I       int[]        int数组
  [L/java/lang/object    Object[] 对象数组


// This function only registers the native methods, and is called from
// JNI_OnLoad in android_media_MediaPlayer.cpp
int register_android_media_MediaScanner(JNIEnv *env)
{
//利用registerNativeMethods注册JNI函数
    return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
                "android/media/MediaScanner", gMethods, NELEM(gMethods));
}


// 加载jni库，查找该库中的JNI_OnLoad函数完成动态注册工作
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
...
if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0) {
        LOGE("ERROR: MediaScanner native registration failed\n");
        goto bail;
    }

}


static void
android_media_MediaScanner_processDirectory(JNIEnv *env, jobject thiz, jstring path, jstring extensions, jobject client)
{
    MyMediaScannerClient myClient(env, client);
    mp->processDirectory(pathStr, extensionsStr, myClient, ExceptionCheck, env);
...

}


NATIVE库实现：MediaScanner.cpp （编译成libmedia.so库）
status_t MediaScanner::processDirectory(
        const char *path, const char *extensions,
        MediaScannerClient &client,
        ExceptionCheck exceptionCheck, void *exceptionEnv) {
   
...
    client.setLocale(locale());


    status_t result =
        doProcessDirectory(
                pathBuffer, pathRemaining, extensions, client,
                exceptionCheck, exceptionEnv);


    free(pathBuffer);
    ...

}
如此整个流程调用逻辑就讲完了。


第二大部分：JNIEnv 介绍


JNIEnv 是一个与线程相关的变量，由于线程相关，所以线程B中不能使用线程A中的JNIEnv函数。
那个多个线程由谁来保存并保证每个线程的JNIEnv结构体正确呢？


jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
全进程只有一个JavaVM对象，可以保存并在任何地方使用没有问题，独此一份。
利用JavaVM中的 AttachCurrentThread函数，就可以得到这个线程的 JNIEnv结构体，利用用DetachCurrnetThread释放相应资源


a、通过 JNIEnv 操作 jobject


jfieldID   操作成员变量
jmethodID  操作成员函数


/*
 * Get a field ID (instance fields).
 */
static jfieldID GetFieldID(JNIEnv* env, jclass jclazz,
    const char* name, const char* sig)


/*
 * Get a method ID for an instance method.
 *
 * JNI defines <init> as an instance method, but Dalvik considers it a
 * "direct" method, so we have to special-case it here.
 *
 * Dalvik also puts all private methods into the "direct" list, so we
 * really need to just search both lists.
 */
static jmethodID GetMethodID(JNIEnv* env, jclass jclazz, const char* name,
    const char* sig)
    
具体实现参考：dalvik\vm\jni.c的实现：重要的函数还有 JNI_CreateJavaVM ［Create a new VM instance］


举例说明JNI如何调用JAVA层函数：
JNIEnv *mEnv;
jmethodID mScanFileMethodID; 
jmethodID mHandleStringTagMethodID; 


MyMediaScannerClient(JNIEnv *env, jobject client)
    :   mEnv(env),
        mClient(env->NewGlobalRef(client)),
        mScanFileMethodID(0),
        mHandleStringTagMethodID(0),
        mSetMimeTypeMethodID(0)
{
...

// 找到 android.media.MediaScannerClient类在JNI层对应用用jclass实例
jclass mediaScannerClientInterface = env->FindClass("android/media/MediaScannerClient");

//依此取出 MediaScannerClient 类中的函数 scanFile/handleStringTag 的 jMethodID
   
mScanFileMethodID = env->GetMethodID(mediaScannerClientInterface, "scanFile",
                                             "(Ljava/lang/String;JJ)V");
    mHandleStringTagMethodID = env->GetMethodID(mediaScannerClientInterface, "handleStringTag",
                                             "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V");


}


// returns true if it succeeded, false if an exception occured in the Java code
virtual bool scanFile(const char* path, long long lastModified, long long fileSize)
{
// 调用JNIEnv的CallVoidMethod函数：
// 第一个参数代表 MediaScannerClient 的 jobject 对象，第二个参数代表 scanFile的 jMethodID
// 后面的是JAVA层 ScanFile 函数参数 
    mEnv->CallVoidMethod(mClient, mScanFileMethodID, pathStr, lastModified, fileSize);
}


实现上JNIEnv提供了一系列类似的函数调用JAVA函数：


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


同时也可以设定或获取JAVA层的成员变量值，定义如下：
NativeType Get<type>Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID);

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

补充说明：

如何生成静态Java的native jni头文件?

1、先编写java代码，使用eclipse编译生成.class文件

2、使用javah程序生成头文件

      javah -o output.h packagename.classname  举例如下：

C:\Program Files\Java\jdk1.6.0_23\bin>javah -o output -classpath F:\JoinWSP\Json
Test\bin\classes test.Android.json.DirectStruct

这里有几点注意下：　

output 是生成的头文件

-classpath <路径>     用于装入类的路径

packagename.classname 完整的包名