Android框架层基础2————JNI原理

Android框架层基础2————JNI原理

源码基于Android8.0分析

文章目录

• Android框架层基础2————JNI原理
• • • 一.JNI概述
    • 二.基于静态注册的JNI使用
    • • 1.java中生明native方法
      • 2.获得jni的头文件
      • 3.实现JNI方法
      • 4.小结
    • 三.基于动态注册的android源码
    • • 1.源码中jni使用
      • 2.动态注册的实现
    • 四.数据类型的转化
    • • 1.基本类型的转换
      • 2.引用类型的转换
      • 3.方法签名
    • 五.JNIEnv介绍
    • • 1.JNIEnv概述
      • 2. JNIEnv的定义
      • 3.jfieldID和jmethodID
    • 六.JNI和垃圾回收
    • • 1.本地引用
      • 2.全局引用
      • 3.弱全局引用
    • 七.JNI中的异常处理
    • 八.参考资料

一.JNI概述

JNI 即java Native Interface缩写，即java本地调用。通过jni可以做到以下两点：

• java程序中的函数可以调用Native语言书写的函数，Native一般指的c/c++编写的函数
• Native程序的函数可以调用java中的函数

在Android源码中，jni大量的使用，同时也有很多的应用的场景，比如音视频开发，热修复，插件化，逆向开发，源码调用。接下来先看看jni的使用

二.基于静态注册的JNI使用

关于Jni的使用详细的步骤可以参考这篇博客

Android JNI学习(二)——实战JNI之“hello world”

下面我简单说一下jni的调用
具体的环境配置相关的，可以参考上面博客。

1.java中生明native方法

public class JniTest {static {System.loadLibrary("jni-test");}public static void main(String[] args) {JniTest jniTest = new JniTest();System.out.printf(jniTest.get());}public static native String get();public static native void set(String str);
}

上面的类中，先在静态代码块中，加载了动态库的过程，同时声明了两个native方法，get和set。

2.获得jni的头文件

• 根据javac生成class文件
• 在根据javah生成头文件

• javac 包名/JniTest.java（包名以/分割）
• javah 包名.JniTest(包名以.分割)

生成的一个com_heshucheng_androidjni_JniTest头文件

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include 
/* Header for class com_heshucheng_androidjni_JniTest */#ifndef _Included_com_heshucheng_androidjni_JniTest
#define _Included_com_heshucheng_androidjni_JniTest
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/** Class:     com_heshucheng_androidjni_JniTest* Method:    get* Signature: ()Ljava/lang/String;*/
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_heshucheng_androidjni_JniTest_get(JNIEnv *, jclass);/** Class:     com_heshucheng_androidjni_JniTest* Method:    set* Signature: (Ljava/lang/String;)V*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_heshucheng_androidjni_JniTest_set(JNIEnv *, jclass, jstring);#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

说明

• 函数名遵循下面规则：Java_包名_类名_方法
• jstring是代表String类型的参数
• JNIEnv:表示一个指向JNI环境的指针，可以通过它来访问JNI提供的接口方法
• jobject：表示Java对象中的this
• JNIEXPORT 和 JNICALL：它两是JNI中所定义的宏，可以在jni.h中查到定义

3.实现JNI方法

接下来就是实现jni方法，以C实现为例.
创建一个子目录，名称随意。将之前生成的头文件复制到该目录下。并创建test.c文件

#include "com_heshucheng_androidjni_JniText"
#include <stdio.h>
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_heshucheng_androidjni_JniTest_get(JNIEnv  *env, jobject obj){printf("invoke get");return (*env)->NewStringUTF(env,"Hellow form JNI");}JNIEXPORT void JNICALL Java_com_heshucheng_androidjni_JniTest_set(JNIEnv *env, jclass obj, jstring,string){printf("invoke set");char* str = (char *)(* env)->GetStringUTFChars(env,string,NULL);printf("%s\n"str);(* env)->ReleaseStringUTFChars(env,string,str)  }

最后编译so库，并在java中调用。

4.小结

上面的这种方式我们称为静态注册。

这种情景下，当我们在java中调用native方法get时，就会从JNI中寻找Java_com_heshucheng_androidjni_JniTest_get函数，如果没有就报错，如果找到就和其建立联系，其实就是报存JNI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。

静态注册就是个人那就方法名，将java的native方法通过方法指针和JNI进行关联。如果java的Native方法知道它在JNI中的函数指针，就可以避免上述缺点。

三.基于动态注册的android源码

下面我就以AudioRecord源码中的jni调用为例，分析jni

1.源码中jni使用

下面看看AudioRecord.java中的stop方法

    public void stop()throws IllegalStateException {if (mState != STATE_INITIALIZED) {throw new IllegalStateException("stop() called on an uninitialized AudioRecord.");}// stop recordingsynchronized(mRecordingStateLock) {handleFullVolumeRec(false);native_stop();mRecordingState = RECORDSTATE_STOPPED;}}......private native final void native_stop();

这个native方法的实习是在android_media_AudioRecord中的android_media_AudioRecord_stop

目录：framework/base/core/jni/android_media_AudioRecord.cpp

android_media_AudioRecord_stop(JNIEnv *env, jobject thiz)
{sp<AudioRecord> lpRecorder = getAudioRecord(env, thiz);if (lpRecorder == NULL ) {jniThrowException(env, "java/lang/IllegalStateException", NULL);return;}lpRecorder->stop();//ALOGV("Called lpRecorder->stop()");
}

2.动态注册的实现

在JNI中有一个种结构体用来记录java的Native方法和JNI方法的关联关系。它就是JNINativeMethod，它在jni.h中被定义

typedf struct{coust char* name;//java方法的名字、	coust char* signture;//java方法的签名信息void* fnPtr;//JNI中对应的方法指针
}

android_media_AudioRecord中有一个数组gMethods

目录：framework/base/core/jni/android_media_AudioRecord.cpp

static const JNINativeMethod gMethods[] = {// name,               signature,  funcPtr{"native_start",         "(II)I",    (void *)android_media_AudioRecord_start},{"native_stop",          "()V",    (void *)android_media_AudioRecord_stop},{"native_setup",         "(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Object;[IIIII[ILjava/lang/String;J)I",(void *)android_media_AudioRecord_setup},{"native_finalize",      "()V",    (void *)android_media_AudioRecord_finalize},{"native_release",       "()V",    (void *)android_media_AudioRecord_release},{"native_read_in_byte_array","([BIIZ)I",(void *)android_media_AudioRecord_readInArray<jbyteArray>},{"native_read_in_short_array","([SIIZ)I",(void *)android_media_AudioRecord_readInArray<jshortArray>},{"native_read_in_float_array","([FIIZ)I",(void *)android_media_AudioRecord_readInArray<jfloatArray>},{"native_read_in_direct_buffer","(Ljava/lang/Object;IZ)I",(void *)android_media_AudioRecord_readInDirectBuffer},{"native_get_buffer_size_in_frames","()I", (void *)android_media_AudioRecord_get_buffer_size_in_frames},{"native_set_marker_pos","(I)I",   (void *)android_media_AudioRecord_set_marker_pos},{"native_get_marker_pos","()I",    (void *)android_media_AudioRecord_get_marker_pos},{"native_set_pos_update_period","(I)I",   (void *)android_media_AudioRecord_set_pos_update_period},{"native_get_pos_update_period","()I",    (void *)android_media_AudioRecord_get_pos_update_period},{"native_get_min_buff_size","(III)I",   (void *)android_media_AudioRecord_get_min_buff_size},{"native_setInputDevice", "(I)Z", (void *)android_media_AudioRecord_setInputDevice},{"native_getRoutedDeviceId", "()I", (void *)android_media_AudioRecord_getRoutedDeviceId},{"native_enableDeviceCallback", "()V", (void *)android_media_AudioRecord_enableDeviceCallback},{"native_disableDeviceCallback", "()V",(void *)android_media_AudioRecord_disableDeviceCallback},{"native_get_timestamp", "(Landroid/media/AudioTimestamp;I)I",(void *)android_media_AudioRecord_get_timestamp},
};

gMethods数组存储的是AudioRecord的Native方法与JNI层函数的对应关系，但是只有这个gMethods数组还是不够的，还需要进行注册。

注册的函数是：register_android_media_AudioRecord

目录：framework/base/core/jni/android_media_AudioRecord.cpp

 int register_android_media_AudioRecord(JNIEnv *env)
{.....return RegisterMethodsOrDie(env, kClassPathName, gMethods, NELEM(gMethods));
}

继续追踪

目录:framework/base/core/jni/core_jni_helpers.h

static inline int RegisterMethodsOrDie(JNIEnv* env, const char* className,const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods) {int res = AndroidRuntime::registerNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);LOG_ALWAYS_FATAL_IF(res < 0, "Unable to register native methods.");return res;
}

在这其中返回了AndroidRuntime的registerNativeMethods函数，继续追踪

目录：framework/base/core/jni/AndroidRuntime

    const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}

在registerNativeMethods函数中又返回了jniRegisterNativeMethods，他被定义再JNI类帮助类的JNIHelp.cpp

extern "C" int jniRegisterNativeMethods(C_JNIEnv* env, const char* className,const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{JNIEnv* e = reinterpret_cast<JNIEnv*>(env);ALOGV("Registering %s's %d native methods...", className, numMethods);scoped_local_ref<jclass> c(env, findClass(env, className));if (c.get() == NULL) {char* tmp;const char* msg;if (asprintf(&tmp,"Native registration unable to find class '%s'; aborting...",className) == -1) {// Allocation failed, print default warning.msg = "Native registration unable to find class; aborting...";} else {msg = tmp;}e->FatalError(msg);}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;
}

在这里我们可以看见，最终调用了JNIENV的RegisterNatives来完成JNI的注册。关于JNIENV在后面会有比较详细的说明。

四.数据类型的转化

上面我们解决了jni的注册问题，接下来让我们看看jni的数据转换问题。在java中调用Native函数传递的是java类型参数，这些参数到jni层会转为不同的参数。

java的数据类型分为基本数据类型和引用数据类型。jni对于两者是区别对待的。

1.基本类型的转换

基本类型转换比较简单。具体如下表所示，最后一列代表签名格式，后面会介绍它。

上面的基本类型，除了最后一行，其他只要在前面加上j即可

2.引用类型的转换

从上图可以看出，所有的数组的JNI层数据类型需要以“Array”结尾，签名格式的开头都有“[”

引用数据类型也是具有继承关系的，如下图所示

我们以之前静态注册生成的头文件类型分析

 Java_com_heshucheng_androidjni_JniTest_set(JNIEnv *env, jclass obj, jstring,string)

可以看出，java层的string 在jni层变成了就string类型

3.方法签名

前面我们看每个了类型后面都有一个签名格式，方法签名就是由签名格式组成的，那么，方法签名有什么作用呢？我们回到前面的gMethods数组中

static const JNINativeMethod gMethods[] = {
...{"native_release",       "()V",    (void *)android_media_AudioRecord_release},{"native_read_in_byte_array", "([BIIZ)I",(void *)android_media_AudioRecord_readInArray<jbyteArray>},...}

在gMethods数组中的， “()V"和”([BIIZ)I"就是签名方法。

产生原因
我们都知道java是由重载方法的，可以定义方法名相同，反参数不同的方法，正因为如此，jni中仅仅通过方法名时无法找到java中具体方法的，JNI为了解决这一问题就将参数类型和返回值组合在一起作为方法签名。通过方法签名和方法名就可以一起找到对应的java方法。、、

签名格式

(参数签名格式…)返回值签名格式

在生成方法签名的时候，java也提供了javap命令来自动生成方法签名，具体使用如下

javap -s - p 路径/类目.class

其中s表示输出内部类型签名，p表示打印所有方法和成员（默认打印public），最终会在cmd中输出结果。

五.JNIEnv介绍

1.JNIEnv概述

JNIEnv是一个指向全部JNI方法的指针。该指针只在创建它的线程有效，不能跨进程传递，因此不同线程的JNIEnv是彼此独立的，JNIEnv的主要作用有两点：

• 调用java方法
• 操作java（获取java中的变量和对象）

JNIEnv内部结构
[外链图片转存失败(img-BytDM08d-1566559589146)(http://wiki.jikexueyuan.com/project/deep-android-v1/images/chapter2/image003.png)]

2. JNIEnv的定义

下面我们来看看JNIEnv的定义：

目录：libnativehelper/include_Jni/nativehelper/jni.h

#if defined(__cplusplus)
typedef _JNIEnv JNIEnv; //c++中JNIEnv定义
typedef _JavaVM JavaVM; 
#else
typedef const struct JNINativeInterface* JNIEnv;//c中的JNI类型
typedef const struct JNIInvokeInterface* JavaVM;
#endif

上面的代码中，使用__cplusplus来区分c和c++两种代码，可以看到c++类型是_JNIEnv，c是JNINativeInterface。继续用查看定义

目录：libnativehelper/include_Jni/nativehelper/jni.h

struct _JNIEnv {/* do not rename this; it does not seem to be entirely opaque */const struct JNINativeInterface* functions;#if defined(__cplusplus)...//寻找java指定名称的类jclass FindClass(const char* name) { return functions->FindClass(this, name); }//得到java中的方法jmethodID GetMethodID(jclass clazz, const char* name, const char* sig){ return functions->GetMethodID(this, clazz, name, sig); }//得到java中的成员变量jfieldID GetFieldID(jclass clazz, const char* name, const char* sig){ return functions->GetFieldID(this, clazz, name, sig); }
...
}

_JNIEnv是一个结构体，它的内部又包含了JNINativeInterface，在_JNIEnv中定义了很多函数，上面列举了三个常见的函数。同时也可以发现，无论，最终他们还是调用了JNINativeInterface中定义的函数。

来看看JNINativeInterface中的定义

struct JNINativeInterface {
....jclass      (*FindClass)(JNIEnv*, const char*);jmethodID   (*GetMethodID)(JNIEnv*, jclass, const char*, const char*);jfieldID    (*GetFieldID)(JNIEnv*, jclass, const char*, const char*);
···
}

在JNINativeInterface结构中定义了很多和JNIEnv结构体对应的函数指针，上面只是给了3个函数对应的函数指针定义。通过这些函数指针的定义，就能够定位到虚拟机中的JNI函数表，从而实现了JNI层可以调用Java世界的方法了。

如何在同一个进程，但是不同线程中调用java方法

在上面的源码中，我们可以发现一个JavaVM，他是虚拟机在JNI层的代表，在一个虚拟机进程中只存在一个JavaVM，因此，该进程所以的线程都可以使用这个JavaVM，通过调用Java的AttchCurrent函数可以获取这个线程的JNIEnv，这样就可以在不同的线程中调用java方法了，还要记得在使用AttachCurrentThread函数的线程退出前，务必要调用DetachCurrentThread函数来释放资源

3.jfieldID和jmethodID

前面我们知道，通过JNIEnv可以操作java对象和方法。那么他是如果实现的？

我们知道，其实一个java对象实际上是由它的成员对象和成员函数来操作的。所以在JNI规则中，用jfieldID 和jmethodID 来表示Java类的成员变量和成员函数，它们通过JNIEnv的下面两个函数可以得到：

jfieldID GetFieldID(jclass clazz,const char*name, const char *sig);jmethodID GetMethodID(jclass clazz, const char*name,const char *sig);

其中，jclass代表Java类，name表示成员函数或成员变量的名字，sig为这个函数和变量的签名信息。如前所示，成员函数和成员变量都是类的信息，这两个函数的第一个参数都是jclass。

获得jfieldID和jmethodID的过程

    jclass clazz;//Java层的MediaRecorder的Class对象clazz = env->FindClass("android/media/MediaRecorder");if (clazz == NULL) {return;}//获取jfieldID对象fields.context = env->GetFieldID(clazz, "mNativeContext", "J");//2if (fields.context == NULL) {return;}//获取jmethodID对象fields.post_event = env->GetStaticMethodID(clazz, "postEventFromNative","(Ljava/lang/Object;IIILjava/lang/Object;)V");//4if (fields.post_event == NULL) {return;}

当获取成功之后就可以直接调用到java

//传入了上面获得的jmethodID对象
env->CallStaticVoidMethod(mClass, fields.post_event, mObject, msg, ext1, ext2, NULL);//1

六.JNI和垃圾回收

在java中，存在四种引用类型，强软弱虚，这四种类型对虚拟机回收垃圾有不同程度的影响。同样的，在JNI中，也存在不同的引用类型，即本地引用，全局引用，弱全局引用，下面分别来介绍他们

1.本地引用

JNIEnv提供的函数所提供的引用类型基本都是本地引用，因此本地引用也是JNI中最常见的引用类型，本地引用的特点如下：

• 当Native函数返回时，这个本地引用就会自动被释放
• 只在创建它的线程有效，不能跨线程使用
• 局部引用是JVM负责的引用类型，受JVM管控

2.全局引用

全局引用和本地引用几乎是相反的，它主要有以下特点：

• 在Native函数返回时不会被自动释放掉，因此全局引用需要手动来进行释放，并且不会被GC掉
• 全局引用是可以跨线程使用的
• 全局引用不受到JVM的管控

全局引用是通过JNIEnv的NewGlobalRef函数用来创建全局引用，调用JNIEnv的DeleteGlobalRef函数来释放全局引用

3.弱全局引用

弱全局引用是一种特殊的全局引用，它和全局引用的特点相似，不同的是弱全局引用是可以被gc回收的，弱全局引用被GC回收后，弱全局引用被GC回收之后会指向NULL，所以在访问弱全局引用之前，要首先判断它是否被回收了，方法就是JNIEnv的isSameObject函数来判断

弱全局引用是通过NewWeakGlobalRef函数创建的，DeleteWeakGlobalRef来进行释放

七.JNI中的异常处理

NI中也有异常，不过它和C++、Java的异常不太一样。当调用JNIEnv的某些函数出错后，会产生一个异常，但这个异常不会中断本地函数的执行，直到从JNI层返回到Java层后，虚拟机才会抛出这个异常。虽然在JNI层中产生的异常不会中断本地函数的运行，但一旦产生异常后，就只能做一些资源清理工作了（例如释放全局引用，或者ReleaseStringChars）。如果这时调用除上面所说函数之外的其他JNIEnv函数，则会导致程序死掉。

virtualbool scanFile(const char* path, long long lastModified,long long fileSize){jstring pathStr;//NewStringUTF调用失败后，直接返回，不能再干别的事情了。if((pathStr = mEnv->NewStringUTF(path)) == NULL) return false;......}

JNI层函数可以在代码中截获和修改这些异常，JNIEnv提供了三个函数进行帮助：

• ExceptionOccured函数，用来判断是否发生异常。
• ExceptionClear函数，用来清理当前JNI层中发生的异常。
• ThrowNew函数，用来向Java层抛出异常。

异常处理是JNI层代码必须关注的事情，读者在编写代码时务小心对待。

八.参考资料

《Android艺术开发探索》
《深入理解Android 卷一》
《Android进阶解密》

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