Android JNI 使用方法总结及原理分析

一、前言

JNI 即 Java 本地接口，是 Java 调用 Native 语言的一种特性。Java 调用 C/C++ 是 Java 语言里面本来就有的，并非是 Android 自创。在新版的 Android Studio 中通过 CMake 工具来构建编译，过程比较简单不再赘述。本文着重记录笔者在实际应用中所遇到的问题。

二、类型转换

Java Native Signature
byte jbyte B
char jchar C
double jdouble D
float jfloat F
int jint I
short jshort S
long jlong J
boolean jboolean Z
void void V
对象 jobject L+classsname+;
Class jclass Ljava/lang/Class;
String jstring Ljava/lang/String;
Throwable jthrowable Ljava/lang/Throwable;
Object[] jobjectArray [L+classname+;
byte[] jbyteArray [B
char[] jcharArray [C
double[] jdoubleArray [D
float[] jfloatArray [F
int[] jintArray [I
short[] jshortArray [S
long[] jlongArray [J
boolean jbooleanArray [Z

Java 中是有重载方法的，即方法名相同但是参数不同，因此仅仅通过方法名是无法找到 Java 中对应的具体方法，Signature ，方法签名便是起这个作用的；
假如在 Java 中定义如下：

public native void reportData(String data,String tag);

则它在 JNI 中的方法签名为 (Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V，括号内为 native
方法中的参数对应的签名， V 代表方法返回 void ;

三、静态注册

Java 通过不同的方式来找到相应的 Native 方法，这是由注册native函数的具体方法来决定；
例如当Java调用native方法 native_init 时，就会从 JNI 中寻找 Java_com_Example_jnidemo_native_init 函数，没有就报错，如果找到就会为 native_init 和 Java_com_Example_jnidemo_native_init 建立关联，其本质就是保存 JNI 的函数指针，这样再次调用 native_init 方法时直接使用这个函数指针就可以了。静态注册就是根据方法名将Java方法和JNI函数建立关联，当然这种方式有一些缺点：

  • JNI 层的函数名过长
  • 声明Native方法的类需要使用javah生成头文件（CMake方式不用）
  • 初次调用Native方法时需要建立关联，影响效率

四、动态注册

通过查看 Framework 层代码，发现在系统的 Native 层几乎用的都是动态注册的方式，所谓 动态注册 就是在调用 Native 方法之前就已经知道它在 JNI 中对应的函数指针，这需要用到一个结构体用来描述两者之间的关系：
libnativehelper/include_jni/jni.h

typedef struct {
    const char* name;
    const char* signature;
    void*       fnPtr;
} JNINativeMethod;

name: Java方法的名字
signature：Java方法的签名信息
fnPtr： JNI中对应的方法指针

动态注册的步骤是：在 JNI 中实现 JNI_OnLoad 函数，
这里以 GnssLocationProvider.cpp 为例，其路径为：
/framework/base/services/core/jni/com_android_server_location_GnssLocationProvider.cpp

1、构建关系数组

static const JNINativeMethod sMethods[] = {
     /* name, signature, funcPtr */
    {"class_init_native", "()V", reinterpret_cast<void *>(
            android_location_GnssLocationProvider_class_init_native)},
    {"native_is_supported", "()Z", reinterpret_cast<void *>(
            android_location_GnssLocationProvider_is_supported)},
    {"native_is_agps_ril_supported", "()Z",
            reinterpret_cast<void *>(android_location_GnssLocationProvider_is_agps_ril_supported)},
    {"native_is_gnss_configuration_supported", "()Z",
            reinterpret_cast<void *>(
                    android_location_gpsLocationProvider_is_gnss_configuration_supported)},
 
     ......
};

2、注册JNI函数

int register_android_server_location_GnssLocationProvider(JNIEnv* env) {
    jniRegisterNativeMethods(
            env,
            "com/android/server/location/GnssBatchingProvider",
            sMethodsBatching,
            NELEM(sMethodsBatching));
    jniRegisterNativeMethods(
            env,
            "com/android/server/location/GnssGeofenceProvider",
            sGeofenceMethods,
            NELEM(sGeofenceMethods));
    jniRegisterNativeMethods(
            env,
            "com/android/server/location/GnssMeasurementsProvider",
            sMeasurementMethods,
            NELEM(sMeasurementMethods));
    jniRegisterNativeMethods(
            env,
            "com/android/server/location/GnssNavigationMessageProvider",
            sNavigationMessageMethods,
            NELEM(sNavigationMessageMethods));
    return jniRegisterNativeMethods(
            env,
            "com/android/server/location/GnssLocationProvider",
            sMethods,
            NELEM(sMethods));
}

定义在 libnativehelper/include/nativehelper/JNIHelp.h
#ifndef NELEM
# define NELEM(x) ((int) (sizeof(x) / sizeof((x)[0])))
#endif

3、实现 JNI_OnLoad 函数

GnssLocationProvider.cpp 比较特殊，此函数的实现是在同级目录下的 onLoad.cpp 中：

extern "C" jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* /* reserved */)
{
    JNIEnv* env = NULL;
    jint result = -1;

    if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
        ALOGE("GetEnv failed!");
        return result;
    }
    ALOG_ASSERT(env, "Could not retrieve the env!");

    register_android_server_broadcastradio_BroadcastRadioService(env);
    register_android_server_broadcastradio_Tuner(vm, env);
    register_android_server_PowerManagerService(env);
    register_android_server_SerialService(env);
    register_android_server_InputApplicationHandle(env);
    register_android_server_InputWindowHandle(env);
    register_android_server_InputManager(env);
    register_android_server_LightsService(env);
    register_android_server_AlarmManagerService(env);
    register_android_server_UsbDeviceManager(env);
    register_android_server_UsbMidiDevice(env);
    register_android_server_UsbAlsaJackDetector(env);
    register_android_server_UsbHostManager(env);
    register_android_server_vr_VrManagerService(env);
    register_android_server_VibratorService(env);
    register_android_server_SystemServer(env);
    register_android_server_location_GnssLocationProvider(env);
    register_android_server_connectivity_Vpn(env);
    register_android_server_connectivity_tethering_OffloadHardwareInterface(env);
    register_android_server_devicepolicy_CryptoTestHelper(env);
    register_android_server_ConsumerIrService(env);
    register_android_server_BatteryStatsService(env);
    register_android_server_hdmi_HdmiCecController(env);
    register_android_server_tv_TvUinputBridge(env);
    register_android_server_tv_TvInputHal(env);
    register_android_server_PersistentDataBlockService(env);
    register_android_server_HardwarePropertiesManagerService(env);
    register_android_server_storage_AppFuse(env);
    register_android_server_SyntheticPasswordManager(env);
    register_android_server_GraphicsStatsService(env);
    register_android_hardware_display_DisplayViewport(env);
    register_android_server_net_NetworkStatsService(env);
#ifdef USE_ARC
    register_android_server_ArcVideoService();
#endif
    return JNI_VERSION_1_4;
}

4、关于 jniRegisterNativeMethods 函数

通过上面的实例中可以看出框架是通过调用 jniRegisterNativeMethods 函数完成 JNI 注册，这个函数被定义在 libnativehelper/JNIHelp.cpp 中：

extern "C" int jniRegisterNativeMethods(C_JNIEnv* env, const char* className,
    const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
    JNIEnv* e = reinterpret_cast<JNIEnv*>(env);
    ......  
    if ((*env)->RegisterNatives(e, c.get(), gMethods, numMethods) < 0) {
        char* tmp;
        const char* msg;
        if (asprintf(&tmp, "RegisterNatives failed for '%s'; aborting...", className) == -1) {
            // Allocation failed, print default warning.
            msg = "RegisterNatives failed; aborting...";
        } else {
            msg = tmp;
        }
        e->FatalError(msg);
    }

    return 0;
}

最终通过调用 JNIEnv 的 RegisterNatives 函数来完成JNI的注册。因此我们在 Android 环境下去编译自定义的模块时当需要此函数时，需要做如下两件事：

① #include "JNIHelp.h"
② Android.mk 中添加 LOCAL_SHARED_LIBRARIES +=libnativehelper

当然在有些地方使用的是 AndroidRuntime::registerNativeMethods 这种方式，其实这个函数底层调用的还是 jniRegisterNativeMethods 函数，并最终回归到 JNIEnv 的 RegisterNatives 函数。

那么当使用 AndroidRuntime::registerNativeMethods 时也需要做如下两件事：

① #include "android_runtime/AndroidRuntime.h"
② Android.mk 中添加 LOCAL_SHARED_LIBRARIES +=libandroid_runtime

5、JNI_OnLoad 函数

在Java代码中，通过 loadLibrary 要求虚拟机来装载 so 文件，形式如下：

public class JNItest {
    static {
        System.loadLibrary("jnitest");
    }
}

在代码运行时会在 /system/lib 目录下查找 libjnitest.so 文件，加载入虚拟机中，与此同时产生一个 Load 事件，这个事件触发后，程序默认会在载入的.so文件的函数列表中查找 JNI_OnLoad 函数并执行，与"Load"事件相对，当载入的.so文件被卸载时，Unload 事件被触发，此时，程序默认会去在载入的.so文件的函数列表中查找 JNI_OnUnload 函数并执行，然后卸载.so文件。需要注意的是，JNI_OnLoad 与 JNI_OnUnload 这两个函数在.so组件中并不是强制要求。

调用链路如下：

System.loadLibrary()
    -> Runtime:loadLibrary0()
    -> Runtime:nativeLoad()
        -> [Runtime] Runtime.c:Runtime_nativeLoad()
            -> [native] Openjdkjvm.cc:JVM_NativeLoad()
                -> [Runtime] art::JavaVMExt:LoadNativeLibrary()  //已加载则直接返回success,
                                                                //否则new SharedLibrary 添加
                    ->[native] android::OpenNativeLibrary()       //dlopen 
                -> [Runtime] SharedLibrary:FindSymbol("JNI_OnLoad", nullptr);
                -> [Runtime] SharedLibrary:FindSymbolWithoutNativeBridge()
                    -> dlsym("JNI_OnLoad");
                    -> so文件中的JNI_OnLoad函数

System.java : /libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/System.java
Runtime.java: /libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/Runtime.java
Runtime.c: /libcore/ojluni/src/main/native/Runtime.c
Openjdkjvm.cc: /libcore/ojluni/src/main/native/Openjdkjvm.cc
JavaVMExt: /art/runtime/java_vm_ext.cc
SharedLibrary: /art/runtime/java_vm_ext.cc

五、引用类型

在 JNI 规范中定义了三种引用：局部引用（Local Reference）、全局引用（Global Reference）、弱全局引用（Weak Global Reference）。
1、局部引用（Local Reference）

局部引用，也称本地引用，通常是在函数中创建并使用，函数返回时自动释放，当然可以使用DeleteLocalRef函数手动释放，存在某些场景下 native 函数在返回前占用了大量内存

2、全局引用（Global Reference）

全局引用可以跨方法、跨线程使用，直到被开发者显式释放。类似局部引用，一个全局引用在被释放前保证引用对象不被GC回收。和局部应用不同的是，只能通过 NewGlobalRef 和 ReleaseGlobalRef 两个函数来创建和释放全局引用

3、弱全局引用（Weak Global Reference）

是JDK 1.2 新增加的功能，与全局引用类似，创建跟删除都需要由编程人员来进行，这种引用与全局引用一样可以在多个本地 Native 有效，不一样的是，弱引用将不会阻止垃圾回收期回收这个引用所指向的对象，所以在使用时需要多加小心，它所引用的对象可能是不存在的或者已经被回收，因此在使用前需要使用 JNIEnv 的 IsSameObject 函数来判断

六、SO文件生成及使用

1、流程图

2、Android Studio平台

上图中我从 so 文件的来源分类，第一类是在 Android Studio 平台使用 CMake 来编译构建 JNI 进而生成 so 文件，这其中不需要我们多做其他的什么工作，默认是生成所有架构的 so 文件，当然也可以通过在 build.gradle 文件中配置属性来生成指定的架构：

android{
     ......
      ndk{  // add this
          abiFilters "armeabi-v7a", "arm64-v8a"       
      }
}

Jar 包生成
Android 工程在使用 so 库时，是通过 JNI 的方式进行调用，因此在提供给别人使用 so 库的同时应当还要提供相应的 Jar 包供使用方调用。同时静态注册的这种方式，还存在JNI函数的命名与Java端native声明函数所在的类的包名必须一致的限制，所以必须提供对应的Jar包。配置方式如下：

// module 的 build.gradle 中 与 android 节点同级
task makeJar(type: Copy) {
    delete 'libs/gms.jar' //删除已经存在的jar包
    from('build/intermediates/compile_library_classes/debug/')//从该目录下加载要打包的文件，注意这个目录，不同版本的AndroidStudio是不一样的，比如在3.0版本是build/intermediates/bundles/release/，要自己去查一下。
    into('libs/')//jar包的保存目录
    include('classes.jar')//设置过滤，只打包classes文件
    rename('classes.jar', 'gms.jar')//重命名，gms.jar 根据自己的需求设置
}
makeJar.dependsOn(build)

Terminal 中执行命令：

./gradlew makeJar

3、纯C/C++，第三方平台

如果将一个C/C++项目，编译成 so 库提供给 Android 使用是怎样的呢？我们知道 JNI 的好处是使得Android 可以使用优秀的 C/C++ 代码，提高性能。但弊端是失去了跨平台的性质，C/C++ 的代码必须编译成不同架构的 so 库来适配设备的差异。CMake 的编译方式请参见这里，这里对 Android.mk 的方式来做说明:

Application.mk:

  APP_ABI := all      #所有架构                                                       
  APP_PLATFORM := android-16

Android.mk:

LOCAL_PATH := $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE := range
LOCAL_SRC_FILES := PublicCommon.c\
    RangeDecoder.c\
    RangeEncoder.c
LOCAL_LDLIBS += -llog
LOCAL_SHARED_LIBRARIES := libcutils
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

bush.sh

#!/bin/bash
PWD=`pwd`
NDK=/home/zsk/Android/Sdk/ndk/20.0.5594570
BUILDER=${NDK}/ndk-build
ABS=${PWD}/Android.mk
NAM=${PWD}/Application.mk

${BUILDER} NDK_PROJECT_PATH=${PWD} APP_BUILD_SCRIPT=${ABS} NDK_APPLICATION_MK=${NAM}

七、JNI相关知识

1、JNIEnv 与 JavaVM

  • JavaVM ，是Java虚拟机在JNI层的代表，JNI全局仅仅有一个JavaVM结构中封装了一些函数指针（或叫函数表结构），JavaVM中封装的这些函数指针主要是对JVM操作接口。
  • JNIEnv ，是一个线程相关的结构体，该结构体代表了Java在本线程的执行环境
  • 区别： JavaVM 全局只有一个，JNIEnv 每个线程都有一个

关于具体的在JNI中各种反射查找类以及各种类型数据的填充，可以参考Gnss的部分源码：

frameworks/base/services/core/jni/com_android_server_location_GnssLocationProvider.cpp

2、jobject 与 jclass

jobject 与 jclass 通常作为JNI函数的第二个参数，当所声明Native方法是 静态方法 时，对应参数 jclass，因为静态方法不依赖对象实例，而依赖于类，所以参数中传递的是一个jclass类型。相反，如果声明的Native方法时 非静态方法 时，那么对应参数是 jobject，这两个数据类型定义在 jni.h 头文件中

参考

[ 1 ] : https://blog.csdn.net/flydream0/article/details/7371692
[ 2 ] : https://www.cnblogs.com/heixiang/p/10987838.html
[ 3 ] : https://www.jianshu.com/p/87ce6f565d37
[ 4 ] : https://www.jianshu.com/p/b4431ac22ec2

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