第九章 JNI 原理.md

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2021-10-22

Android Java JNI

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JNI 是 Java Native Interface 的缩写，Java 本地接口。可以简单理解为可以在 Java 中调用其他语言的代码。主要由以下情况需要用到 JNI：

需要调用 Java 语言不支持的依赖于操作系统平台特性的一些功能
为了整合一些以前的非 Java 语言开发的系统
为了节省程序的运行时间，需要使用其他语言来提升运行效率，例如音视频、游戏渲染等

为了更方便的使用 JNI，Android 提供了 NDK 这个工具集合，NDK 开发是基于 JNI 的。

9.1 系统源码中的 JNI

通过 JNI，Java 的代码可以访问 Native 世界的代码，同样的也可反过来。

这里以 MediaRecorder 框架来举例。

9.2 MediaRecorder 框架中的 JNI

9.2.1 Java Framework 层的 MediaRecord

先来看看 MediaRecorder.java 的源码，这里只截取部分：

public class MediaRecorder implements AudioRouting, AudioRecordingMonitor, AudioRecordingMonitorClient, MicrophoneDirection {
    static {
        System.loadLibrary("media_jni"); // 1
        native_init(); // 2
    }
    // ……
    private static native final void native_init(); //3
    // ……
    public native void start() throws IllegalStateException;
    // ……
}

对于 JavaFramework 层来说只要加载对应的 JNI 库，然后生命 native 方法即可，剩下的工作 JNI 会自动帮我们完成。

9.2.2 JNI 层的 MediaRecorder

这里 JNI 层的源码在 android_media_recorder.cpp 中，如下所示：

// /frameworks/base/media/jni/android_media_MediaRecorder.cpp

static void
android_media_MediaRecorder_native_init(JNIEnv *env)
{
    jclass clazz;
    clazz = env->FindClass("android/media/MediaRecorder");
    if (clazz == NULL) {
        return;
    }
   // ……
    fields.post_event = env->GetStaticMethodID(clazz, "postEventFromNative",
                                               "(Ljava/lang/Object;IIILjava/lang/Object;)V");
    if (fields.post_event == NULL) {
        return;
    }
}


static void
android_media_MediaRecorder_start(JNIEnv *env, jobject thiz)
{
    ALOGV("start");
    sp<MediaRecorder> mr = getMediaRecorder(env, thiz);
    if (mr == NULL) {
        jniThrowException(env, "java/lang/IllegalStateException", NULL);
        return;
    }
    process_media_recorder_call(env, mr->start(), "java/lang/RuntimeException", "start failed.");
}

当我们调用 native_init 与 start 方法时，最终会通过 JNI 调用到以上方法，接下来是注册过程：

9.2.3 Native 方法注册

分为静态注册和动态注册，其中静态注册多用于 NDK 开发，动态注册多用于 Framework 开发。

9.2.3.1 静态注册

首先手动写一个 MediaRecorder.java

public class MediaRecorder {
    static{
        System.loadLibrary("media_jni");
        native_init();
    }
    private static native void native_init();
    public native void start() throws IllegalStateException;
}

然后 cd 到项目的 java 路径中，执行以下代码：

这里是新版 java ，与书中指令有出入，同时因为是 win ，路径分隔符为 \

该指令将 c 与 h 两种操作合并，其中第一个参数为 header 文件的路径，这里用 . 表示当前路径

javac -h . com\heyanle\frameworkdemo\MediaRecorder.java

书中原指令：

javac com/example/MediaRecorder.java
javah com.example.MediaRecorder

我们看见在 java 路径生成了 com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder.h 文件：

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder */

#ifndef _Included_com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder
#define _Included_com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder
 * Method:    native_init
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder_native_1init
  (JNIEnv *, jclass); // 1

/*
 * Class:     com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder
 * Method:    start
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder_start
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

我们看注释 1 处就是 native_init 方法在 native 中的方法体：

/*
 * Class:     com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder
 * Method:    native_init
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_heyanle_frameworkdemo_MediaRecorder_native_1init
  (JNIEnv *, jclass); // 1

其中有两个参数，第一个 JNIEnv 指针，该指针中可以在 native 世界中调用 java 世界的代码。而第二个参数 jclass 是 JNI 的书籍类型，对应 Java 的 java.lang.Class 实例，同样的还有 jobject 等数据类型。

这里 _ 翻译到 jni 会变成 _1 ，因此方法名中为 1init

当我们调用 native 方法时，会自动找到其对应的 h 文件，函数，并建立连接，并且只在第一次调用时建立连接（保存函数指针），之后直接使用。

静态注册有缺点：

JNI 层函数名过长
生命 Native 方法的类需要用 javah 生成头文件
初次调用时需要建立关联，影响效率

9.2.3.2 动态注册

JNI 中记录 Native 方法和 JNI 方法的关联关系的结构体是 JNINativeMethod，其在 jni.h 中定义：

typedef struct {
    const char* name; // Java 方法名字
    const char* signature; // Java 方法签名信息
    void* fnPtr; // JNI 中对应方法指针
} JNINativeMethod;

系统的 MediaRecorder 采用的就是动态注册，首先它定义了一个 JNINativeMethod 类型的数组：

// frameworks/base/media/jni/android_media_MediaRecorder.cpp
static const JNINativeMethod gMethods[] = {
    // ……
    {"start", "()V", (void*)android_media_MediaRecorder_start}, //1
    // ……
}

所有的 native 方法一条对应一个 JNINativeMethod对象。

然后再 JNI_OnLoad 函数中调用，该函数会在调用 System.loadLibrary 方法时调用，MediaRecorder 也就是在该函数中注册 JNINativeMethod，

最终回来到 AndroidRuntime.cpp 的 registerNativeMethods 函数：

// frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
/*static*/ int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv* env, const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods){
    return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}

最终来到了 JNIHelp.cpp 的 jniRegisterNativeMethods 函数，最终会调用 JNIEnv 的 RegisterNatives 函数来完成注册，JNIEnv 在 JNI 中非常重要。

9.3 数据类型转换

9.3.1 基本数据类型

9.3.2 引用数据类型

9.4 方法签名

方法签名是 JNI 为了支持 Java 的方法重载而规定的一个格式，一个方法签名对应着一个方法，包括参数和返回值信息。例如一个 Java 方法：

private native final void native_setup(Object mediarecorder_this, String clientName, String opPackageName) throws IllegalStateException;

该方法在 JNI 中的签名为：

(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/String;Ljava/lang/String)V

这里 V 代表 void，也就是没有返回值，具体类型可以参考之前的表格

9.5 解析 JNIEnv

JniEnv 的主要作用：

调用 Java 的方法
操作 Java (实例中的变量和对象)

定义：

// libnativehelper/include/nativehelper/jni.h
#if defined(__cplusplus)
// CPP
typedef _JNIEnv JNIEnv;
typedef _JavaVM JavaVM;
# else
// C
typedef const struct JNINativeInterface* JNIEnv;
typedef const struct JNIInvokeInterface* JavaVM;

JavaVM 是 JVM 在 JNI 中的抽象，一个 JVM 进程只会有一个实例，该进程中所有线程都可以使用，调用 JavaVM::AttachCurrentThread 函数可以获取该 JVM 的 JNIEnv 对象。使用结束后需要调用 JavaVM::DetachCurrentThread 函数来释放资源。

_JNIEnv 是一个结构体，其内部又包含了 JNINativeInterface ，只是为了一些 CPP 的特性而进行的包装。_JNIEnv 中定义了很多函数，这里列举三个

FindClass 寻找 Java 中指定名称的类
GetMethodID 得到 Java 中指定的方法
GetFieldID 得到 Java 中指定的成员变量

9.5.1 jfieldID 和 jmethodID（PASS）

9.5.2 使用 jfieldID 和 jmethodID （PASS）

9.6 引用类型

JNI 有引用类型，分别是本地引用，全局引用和弱全局引用

9.6.1 本地引用 (Local References)

本地引用的特点：

当 Native 函数返回时，该引用会被释放
只在创建它的线程中有效，不能跨线程
拒不引用是 JVM 负责的引用类型，受 JVM 管理

JNIEnv 提供的函数返回的引用基本都是本地引用，可以调用 JNIEnv::DeleteLocalRef 函数立即删除本地引用

9.6.2 全局引用 (Global References)

在 native 函数返回时不会被自动释放，并且不会被 GC
可以跨线程
不受 JVM 管理

调用 JNIEnv::NewGlobalRef 函数创建全局引用，调用 JNIEnv::DeleteGlobalRef 来释放全局引用。

两者都传入对应的 jclass 类型参数。

9.6.3 弱全局引用 (Weak Global References)

与全局引用类型，区别只在于会被 GC 回收，回收后指向 NULL。

调用 JNIEnv::NewWeakGlobalRef 函数创建弱全局引用，调用 JNIENV::IsSameObject 与 JNIEnv::DeleteWeakGlobalRef 函数来判断是否被回收与释放引用