Android JNI编程—JNI基础

最近看到了很多关于热补的开源项目——Depoxed(阿里)、AnFix(阿里)、DynamicAPK(携程)等,它们都用到了JNI编程,并且JNI编程也贯穿了Android系统,学会JNI编程对于我们学习研究Android源码、Android安全以及Android安全加固等都是有所帮助的。但是对于我们这些写Android应用的,大部分时间都是在使用Java编程,很少使用C/C++编程,对于JNI编程也了解的比较少,那么我们就来简单的了解一下JNI编程的基础吧。

什么是JNI,怎么使用

JNI——Java Native Interface,它是Java平台的一个特性(并不是Android系统特有的)。其实主要是定义了一些JNI函数,让开发者可以通过调用这些函数实现Java代码调用C/C++的代码,C/C++的代码也可以调用Java的代码,这样就可以发挥各个语言的特点了。那么怎么使用JNI呢,一般情况下我们首先是将写好的C/C++代码编译成对应平台的动态库(windows一般是dll文件,linux一般是so文件等),这里我们是针对Android平台,所以只讨论so库。由于JNI编程支持C和C++编程,这里我们的栗子都是使用C++,对于C的版本可能会有些差异,但是主要的内容还是一致的,大家可以触类旁通。

我的好基友程序亦非猿表示看不懂,所以害怕我的小伙伴们都有一样的困惑,这里补充一下这篇文章的主要内容:

1.Java的native方法怎么与C/C++中的函数链接起来

2.JNI定义了与Java对应的数据类型,用于JNI编程。

3.描述符-用于描述类名或者数据类型,我们在C/C++层为了获取Java层的对象、变量以及描述Java的方法,需要用字符串来描述需要获取对象的类名、变量类型以及方法。
文章主要从上面三个方面做了简单介绍,等下篇文章介绍NDK实践的时候,回来再看看相信会有更好的理解。

从一个栗子说起

这里还是直接从代码说起,这样更加形象和直观,也便于理解。今天使用的Java代码如下:

public class AndroidJni {

    static{
        System.loadLibrary("main");
    }

    public native void dynamicLog();

    public native void staticLog();

}

这里我们定义了两个声明为native的方法,并声明了一块静态区域,在该静态区域类加载名为libmain.so的库,这里我们说是libmain.so库,但是加载的时候却只写了“main”,其实大家只要知道这是约定的就可以了。

C++代码如下:

#include <jni.h>

#define LOG_TAG "main.cpp"

#include "mylog.h"

static void nativeDynamicLog(JNIEnv *evn, jobject obj){

    LOGE("hell main");
}

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_github_songnick_jni_AndroidJni_staticLog (JNIEnv *env, jobject obj)
{
    LOGE("static register log ");

}

JNINativeMethod nativeMethod[] = {{"dynamicLog", "()V", (void*)nativeDynamicLog},};

JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *jvm, void *reserved) {

    JNIEnv *env;
    if (jvm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {

        return -1;
    }
    LOGE("JNI_OnLoad comming");
    jclass clz = env->FindClass("com/github/songnick/jni/AndroidJni");

    env->RegisterNatives(clz, nativeMethod, sizeof(nativeMethod)/sizeof(nativeMethod[0]));

    return JNI_VERSION_1_4;
}

这里引用了两个头文件,jni.h和mylog.h,其中jni.h是定义了很多我们使用的JNI函数和结构体,mylog.h是我自己定义的打印Android log的函数(功能和Java的Log类相同)。
这里暂时不讨论怎么编译成so库以及so库的一些规范,会在下一篇文章中介绍。这里假定将上面的C++程序编译成了一个叫libmain.so的文件。在Java层使用System.loadLibarary("main")方法将该so库加载起来,使得dynamicLog()、staticLog()和对应的Java_com_github_songnick_jni_AndroidJni_staticLog()、nativeDynamicLog()两个native方法链接起来,当然这部分工作都是由Java虚拟机完成的,那么具体是怎么完成的,接下来将根据上面的代码进行分析。

静态注册native方法

在上面的代码中看到了JNIEXPORT和JNICALL关键字,这两个关键字是两个宏定义,他主要的作用就是说明该函数为JNI函数,在Java虚拟机加载的时候会链接对应的native方法,在AndroidJni.java的类中声明了staticLog()为native方法,他对应的JNI函数就是Java_com_github_songnick_jni_AndroidJni_staticLog(),那么是怎么链接的呢,在Java虚拟机加载so库时,如果发现含有上面两个宏定义的函数时就会链接到对应Java层的native方法,那么怎么知道对应Java中的哪个类的哪个native方法呢,我们仔细观察JNI函数名的构成其实是:Java_PkgName_ClassName_NativeMethodName,以Java为前缀,并且用“_”下划线将包名、类名以及native方法名连接起来就是对应的JNI函数了。一般情况下我们可以自己手动的去按照这个规则写,但是如果native方法特别多,那么还是有一定的工作量,并且在写的过程中不小心就有可能写错,其实Java给我们提供了javah的工具帮助生成相应的头文件。在生成的头文件中就是按照上面说的规则生成了对应的JNI函数,我们在开发的时候直接copy过去就可以了。这里上面的代码为例,在AndroidStudio中编译后,进入项目的目录app/build/intermediates/classes/debug下,运行如下命令:

javah -d jni com.github.songnick.jni.AndroidJni

这里-d指定生成.h文件存放的目录(如果没有就会自动创建),com.github.songnick.jni.AndroidJni表示指定目录下的class文件。这里简单介绍一下生成的JNI函数包含两个固定的参数变量,分别是JNIEnv和jobject,其中JNIEnv后面会介绍,jobject就是当前与之链接的native方法隶属的类对象(类似于Java中的this)。这两个变量都是Java虚拟机生成并在调用时传递进来的。

动态注册

上面我们介绍了静态注册native方法的过程,就是Java层声明的native方法和JNI函数是一一对应的,那么有没有方法让Java层的native方法和任意的JNI函数链接起来,当然是可以的,这就得使用动态注册的方法。接下来就看看如何实现动态注册的。

JNI_OnLoad函数

当我们使用System.loadLibarary()方法加载so库的时候,Java虚拟机就会找到这个函数并调用该函数,因此可以在该函数中做一些初始化的动作,其实这个函数就是相当于Activity中的onCreate()方法。该函数前面有三个关键字,分别是JNIEXPORT、JNICALL和jint,其中JNIEXPORT和JNICALL是两个宏定义,用于指定该函数是JNI函数。jint是JNI定义的数据类型,因为Java层和C/C++的数据类型或者对象不能直接相互的引用或者使用,JNI层定义了自己的数据类型,用于衔接Java层和JNI层,至于这些数据类型我们在后面介绍。这里的jint对应Java的int数据类型,该函数返回的int表示当前使用的JNI的版本,其实类似于Android系统的API版本一样,不同的JNI版本中定义的一些不同的JNI函数。该函数会有两个参数,其中*jvm为Java虚拟机实例,JavaVM结构体定义了以下函数:

DestroyJavaVM
AttachCurrentThread
DetachCurrentThread
GetEnv

这里我们使用了GetEnv函数获取JNIEnv变量,上面的JNI_OnLoad函数中有如下代码:

JNIEnv *env;
if (jvm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {

    return -1;
}

这里调用了GetEnv函数获取JNIEnv结构体指针,其实JNIEnv结构体是指向一个函数表的,该函数表指向了对应的JNI函数,我们通过调用这些JNI函数实现JNI编程,在后面我们还会对其进行介绍。

获取Java对象,完成动态注册

上面介绍了如何获取JNIEnv结构体指针,得到这个结构体指针后我们就可以调用JNIEnv中的RegisterNatives函数完成动态注册native方法了。该方法如下:

jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods, jint nMethods)

第一个参数是Java层对应包含native方法的对象(这里就是AndroidJni对象),通过调用JNIEnv对应的函数获取class对象(FindClass函数的参数为需要获取class对象的类描述符):

jclass clz = env->FindClass("com/github/songnick/jni/AndroidJni");

第二个参数是JNINativeMethod结构体指针,这里的JNINativeMethod结构体是描述Java层native方法的,它的定义如下:

typedef struct {
    const char* name;//Java层native方法的名字
    const char* signature;//Java层native方法的描述符
    void*       fnPtr;//对应JNI函数的指针
} JNINativeMethod;

第三个参数为注册native方法的数量。一般会动态注册多个native方法,首先会定义一个JNINativeMethod数组,然后将该数组指针作为RegisterNative函数的参数传入,所以这里定义了如下的JNINativeMethod数组:

JNINativeMethod nativeMethod[] = {{"dynamicLog", "()V", (void*)nativeDynamicLog}};

最后调用RegisterNative函数完成动态注册:

env->RegisterNatives(clz, nativeMethod, sizeof(nativeMethod)/sizeof(nativeMethod[0]));

JNIEnv结构体

上面提到JNIEnv这个结构体,它就老厉害了,指向一个函数表,该函数表指向一系列的JNI函数,我们通过调用这些JNI函数可以实现与Java层的交互,这里简单的看看几个定义的函数:

..........
jfieldID GetFieldID(jclass clazz, const char* name, const char* sig)
jboolean GetBooleanField(jobject obj, jfieldID fieldID)
jmethodID GetMethodID(jclass clazz, const char* name, const char* sig)
CallVoidMethod(jobject obj, jmethodID methodID, ...)
CallBooleanMethod(jobject obj, jmethodID methodID, ...)
..........

这里简单的看看上面的四个函数,GetFieldID()函数是获取Java对象中某个变量的ID,GetBooleanField()函数是根据变量的ID获取数据类型为Boolean的变量。GetMethodID()函数是获取Java对象中对应方法的ID,CallVoidMethod()根据methodID调用对应对象中的方法,并且该方法的返回值为Void类型。通过这些函数我们可以实现调用Java层的代码。更多的函数大家还是看看API文档吧!

JNI数据类型

上面我们提到JNI定义了一些自己的数据类型。这些数据类型是衔接Java层和C/C++层的,如果有一个对象传递下来,那么对于C/C++来说是没办法识别这个对象的,同样的如果C/C++的指针对于Java层来说它也是没办法识别的,那么就需要JNI进行匹配,所以需要定义一些自己的数据类型。

1.原始数据类型

Java Type Native Typ Description
boolean jboolean unsigned 8 bits
byte jbyte signed 8 bits
char jchar unsigned 16 bits
short jshort signed 16 bits
int jint signed 32 bits
long jlong signed 64 bits
float jfloat 32 bits
double jdouble 64 bits
void void N/A

2.引用类型

前面我们在获取AndroidJni对象的使用通过定义jclass引用,然后调用FindClass函数获取了该对象,所以JNI也定义了一些引用类型以便JNI层调用,具体的引用类型如下:

jobject                     (all Java objects)
|
|-- jclass                  (java.lang.Class objects)
|-- jstring                 (java.lang.String objects)
|-- jarray                  (array)
|     |--jobjectArray       (object arrays)
|     |--jbooleanArray      (boolean arrays)
|     |--jbyteArray         (byte arrays)
|     |--jcharArray         (char arrays)
|     |--jshortArray        (short arrays)
|     |--jintArray          (int arrays)
|     |--jlongArray         (long arrays)
|     |--jfloatArray        (float arrays)
|     |--jdoubleArray       (double arrays)
|
|--jthrowable

3.方法和变量的ID
 当需要调用Java中的某个方法的时候我们首先要获取它的ID,根据ID调用JNI函数获取该方法,变量的获取过程也是同样的过程,这些ID的结构体定义如下:

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

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

描述符

1.类描述符
 前面为了获取Java的AndroidJni对象,是通过调用FindClass()函数获取的,该函数参数只有一个字符串参数,我们发现该字符串如下所示:

com/github/songnick/jni/AndroidJni

其实这个就是JNI定义了对类的描述符,它的规则就是将"com.github.songnick.jni.AndroidJni"中的“.”用“/”代替。

2.方法描述符
 前面我们动态注册native方法的时候结构体JNINativeMethod中含有方法描述符,就是确定native方法的参数和返回值,我们这里定义的dynamicLog()方法没有参数,返回值为空所以对应的描述符为:"()V",括号类为参数,V表示返回值为空。下面还是看看几个栗子吧:

Method Descriptor Java Language Type
"()Ljava/lang/String;" String f();
"(ILjava/lang/Class;)J" long f(int i, Class c);
"([B)V" String(byte[] bytes);

上面的栗子我们看到方法的返回类型和方法参数有引用类型以及boolean、int等基本数据类型,对于这些类型的描述符在下个部分介绍。这里数组的描述符以"["和对应的类型描述符来表述。对于二维数组以及三维数组则以"[["和"[[["表示:

Descriptor Java Langauage Type
"[[I" int[][]
"[[[D" double[][][]

3.数据类型描述符
 前面我们说了方法的描述符,那么针对boolean、int等数据类型描述符是怎样的呢,JNI对基本数据类型的描述符定义如下:

Field Desciptor Java Language Type
Z boolean
B byte
C char
S short
I int
J long
F floa
D double

对于引用类型描述符是以"L"开头";"结尾,示例如下所示:

Field Desciptor Java Language Type
"Ljava/lang/String;" String
"[Ljava/lang/Object;" Object[]

总结

上面的部分我们通过一个栗子简单的对JNI编程进行了分析,这里只是对简单的进行了介绍,只是JNI编程的一部分,我相信任何一门技术或者技术点都不能通过一篇文章达到精通,更多的还是靠实践,只有在实践的过程中发现问题-解决问题,才能对知识更好的理解和认识,从而达到精通。所以希望通过这边文章你可以对JNI编程有一个初步的认识,不会感觉JNI编程很难。大家可以多看看JNI的API文档我这里也有一份JNI的教程,大家下载下来看看吧,这样会对JNI有更多的了解。这里还要说一下对于Android的JNI编程还是有点区别的,大家可以多看看Google官方文档对于JNI编程的一些指导和Demo程序。下一篇文章将介绍Android NDK相关的内容,将JNI编程运用到Android开发中。

希望在Android学习的路上,大家共同成长!
(如果有人有对这个Android职位感兴趣,我可以帮忙内推,简历发我邮件!)

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