JNI 基础 - Android 共享内存的序列化过程

1. 进程间的通信方式有哪些
2. binder 和 socket 通信的区别有哪些
3. Android 为什么在大部分场景下用 Binder 进行进程间通信
4. Serializable 和 Parcelable 之间的区别
5. Parcelable 序列化和反序列化的具体过程

不知道大家在面试中的过程中,有没有碰到上面类似的问题,我在腾讯和 oppo 面试的时候就碰到了,这些问题可能都比较简单。比如:Serializable 开销大,Parcelable 更加高效,但是若要问为什么是这样?恐怕就会有一小部分人答不上来了。今天我们就带大家来了解这些知识,既然学了一些 JNI 基础,那么我们自己从 native 层来实现这些。

之前讲 opencv 有说到,可以用纯 java 代码去写,在 opencv 中 native 层操作的是 Mat 数据矩阵,对应 java 层也有 Mat 这个类,我们看下 java 和 native 是怎么对应起来的。

// C++: class Mat
//javadoc: Mat
public class Mat {

    public final long nativeObj;

    public Mat(long addr)
    {
        if (addr == 0)
            throw new java.lang.UnsupportedOperationException("Native object address is NULL");
        nativeObj = addr;
    }

    //
    // C++: Mat::Mat()
    //
    // javadoc: Mat::Mat()
    public Mat()
    {
        nativeObj = n_Mat();
        return;
    }

    //
    // C++: Mat::Mat(int rows, int cols, int type)
    //
    // javadoc: Mat::Mat(rows, cols, type)
    public Mat(int rows, int cols, int type)
    {
        // 在 c++ 层创建一个对象,然后把指针地址 jlong 返回给 java 层
        nativeObj = n_Mat(rows, cols, type); 
        return;
    }

    // C++: Mat::Mat()
    private static native long n_Mat();

    // C++: Mat::Mat(int rows, int cols, int type)
    private static native long n_Mat(int rows, int cols, int type);
}
JNIEXPORT jlong JNICALL Java_org_opencv_core_Mat_n_1Mat__DDI
  (JNIEnv* env, jclass, jdouble size_width, jdouble size_height, jint type)
{
    static const char method_name[] = "Mat::n_1Mat__DDI()";
    try {
        LOGD("%s", method_name);
        Size size((int)size_width, (int)size_height);
        return (jlong) new Mat( size, type );
    } catch(const std::exception &e) {
        throwJavaException(env, &e, method_name);
    } catch (...) {
        throwJavaException(env, 0, method_name);
    }

    return 0;
}

上面的代码比较简单,当我们调用 Mat mat = new Mat(720,1280,CvType.CV_8UC4) ,这个时候会调用 native 层去创建 c++ 的 Mat 对象,然后将指针地址回调给 java 层,为什么要这么做?其实我们也能猜到,c++ 操作的是 native 层的 Mat 的对象,我们把创建好的对象指针给 java 层,是为了再次在 native 层操作的时候,可以根据指针地址找到对应 c++ 的 Mat 对象,然后就可以进行一些列的操作。

为什么讲到 opencv 去了?其实这次的重点就是,在 JNI 的开发过程中,native 层的对象怎么传给 java 层的对象进行保存和操作。接下来我们再来看一个例子 Android 共享内存的序列化过程,相信只要看过 Parcel 的源码,上面的所有问题都迎刃而解了。如果没有 frameworker 层的源码,请先去下载,千万不要下载阉割版的,里面要有 native 层的源码。

public final class Parcel {
    // 保存的是 c++ 层的 Parcel.cpp 对象的指针地址
    private long mNativePtr; // used by native code

    private Parcel(long nativePtr) {
        if (DEBUG_RECYCLE) {
            mStack = new RuntimeException();
        }
        //Log.i(TAG, "Initializing obj=0x" + Integer.toHexString(obj), mStack);
        init(nativePtr);
    }

    private void init(long nativePtr) {
        if (nativePtr != 0) {
            mNativePtr = nativePtr;
            mOwnsNativeParcelObject = false;
        } else {
            mNativePtr = nativeCreate();
            mOwnsNativeParcelObject = true;
        }
    }

    /**
     * Write an integer value into the parcel at the current dataPosition(),
     * growing dataCapacity() if needed.
     */
    public final void writeInt(int val) {
        nativeWriteInt(mNativePtr, val);
    }

    /**
     * Read an integer value from the parcel at the current dataPosition().
     */
    public final int readInt() {
        return nativeReadInt(mNativePtr);
    }
    // 创建 Parcel.cpp 返回 jlong
    private static native long nativeCreate();
    // 写入 int 数据
    private static native void nativeWriteInt(long nativePtr, int val);
    // 读 int 数据
    private static native int nativeReadInt(long nativePtr);
}
// 创建 Parcel ,返回指针地址给 java 层
static jlong android_os_Parcel_create(JNIEnv* env, jclass clazz)
{
    Parcel* parcel = new Parcel();
    return reinterpret_cast<jlong>(parcel);
}
// 通过指针地址获取 c++ 层的对象,然后进行操作
static void android_os_Parcel_writeInt(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong nativePtr, jint val) {
    Parcel* parcel = reinterpret_cast<Parcel*>(nativePtr);
    if (parcel != NULL) {
        const status_t err = parcel->writeInt32(val);
        if (err != NO_ERROR) {
            signalExceptionForError(env, clazz, err);
        }
    }
}
status_t Parcel::writeInt32(int32_t val)
{
    return writeAligned(val);
}

template<class T>
status_t Parcel::writeAligned(T val) {
    COMPILE_TIME_ASSERT_FUNCTION_SCOPE(PAD_SIZE_UNSAFE(sizeof(T)) == sizeof(T));
    // 判断大小有没有超过
    if ((mDataPos+sizeof(val)) <= mDataCapacity) {
restart_write:
        // 往内存上写入数据
        *reinterpret_cast<T*>(mData+mDataPos) = val;
        // 返回写入成功
        return finishWrite(sizeof(val));
    }
    // 返回错误
    status_t err = growData(sizeof(val));
    if (err == NO_ERROR) goto restart_write;
    return err;
}

int32_t Parcel::readInt32() const
{
    return readAligned<int32_t>();
}

template<class T>
T Parcel::readAligned() const {
    T result;
    if (readAligned(&result) != NO_ERROR) {
        result = 0;
    }
    return result;
}

template<class T>
status_t Parcel::readAligned(T *pArg) const {
    COMPILE_TIME_ASSERT_FUNCTION_SCOPE(PAD_SIZE_UNSAFE(sizeof(T)) == sizeof(T));
    // 有没有超出
    if ((mDataPos+sizeof(T)) <= mDataSize) {
        // 去除当前内存上的值
        const void* data = mData+mDataPos;
        // 当前累加往后逻动
        mDataPos += sizeof(T);
        // 取出来并赋值
        *pArg =  *reinterpret_cast<const T*>(data);
        return NO_ERROR;
    } else {
        return NOT_ENOUGH_DATA;
    }
}

看到这里再来说共享内存,或者说 binder 驱动就会变得简单起来了,Parcel 其实就是在 native 层开辟了一块内存,然后按照一定的顺序往这块内存里面写数据。当我需要取数据的时候,我们按照原来写的顺序取出来就可以了。写的顺序和取的顺序必须保持一致,不然肯定会出错。那为什么不在 java 层做呢?请问在 java 层能做到这些效果吗?这也证实了其实 c 和 c++ 更加灵活,因为操作的是一块内存地址上的数据,想干嘛就可以干嘛。怎么回答上面的问题应该不用我说了,了解了原理那么在回答的时候可以自己做一些扩展。

既然是 JNI 基础部分,那么我们最好还是自己动手来敲一下。好比要了解 Retrofit 、OkHttp 和 RxJava 这些常用开源库,我们最好自己动手敲一下核心部分,就能更加加深印象。

  var parcel = Parcel.obtain()

  parcel.writeInt(12)
  parcel.writeInt(24)

  var number1 = parcel.readInt()
  var number2 = parcel.readInt()

  Log.e("TAG","number1 = $number1 , number2 = $number2")
class Parcel{
    private var mNativePtr: Long = 0 // used by native code
    init {
        System.loadLibrary("native-lib")
        mNativePtr = nativeCreate();
    }
    private external fun nativeCreate(): Long;

    // 两个读写 int 的方法
    fun writeInt(value: Int) {
        nativeWriteInt(mNativePtr, value);
    }
    fun readInt(): Any {
        return nativeReadInt(mNativePtr)
    }
    // 两个读写 native 方法
    private external fun nativeWriteInt(mNativePtr: Long, value: Int);
    private external fun nativeReadInt(nativePtr: Long): Int
}

视频地址:https://pan.baidu.com/s/1H2d3mxxZJn7brGEYKNrCHw
视频密码:i81c

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