Android JNI 技术入门指南

news2024/11/13 3:50:54

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引言

在Android开发中，Java是一种主要的编程语言，然而，对于一些性能要求较高的场景（如音视频处理、图像处理、计算密集型任务等），我们可能需要使用到C或C++等语言来编写底层的高效代码。为了实现Java代码与C/C++代码之间的交互，Android提供了一个强大的工具——JNI（Java Native Interface）。通过JNI，Java可以调用C/C++代码，C/C++也可以调用Java代码，从而实现高效的原生交互。

开始之前先了解一些基础概念

开始之前

如果你对C/C++语言比较陌生，可以先看一下我的这两篇文章：
（大致过一下就行，挑重点去记，毕竟不是做C++开发，没必要完全理解，更多的是我们在开发中去学习）

  • C语言基础
  • C++基础

1. 什么是 JNI（Java Native Interface）？

JNI 是 Java 与其他编程语言（通常是 C 或 C++）之间的接口，允许 Java 代码与底层的本地代码进行交互。通过 JNI，我们可以在 Java 代码中调用本地（native）方法，或者让本地代码调用 Java 方法。

1.1 为什么要使用 JNI？

JNI 的主要作用是实现 Java 程序与本地程序之间的交互，特别是在以下几种情况下非常有用：

  • 性能优化：有些运算或操作，Java 实现的效率可能较低，使用 C/C++ 可以提高性能，特别是在图像处理、音视频编解码等领域。
  • 访问底层硬件或特性：Java 不能直接访问底层硬件或操作系统的某些特性，而 JNI 使得 Java 程序可以调用 C/C++ 中的底层代码，进而访问这些特性。
  • 重用现有的本地代码库：有时为了节省开发时间，我们希望直接重用一些已有的 C/C++ 代码或第三方库，这时 JNI 就是连接 Java 和本地代码的桥梁。

1.2 JNI 如何工作？

JNI 的工作机制可以分为几个步骤：

  1. Java 调用 C/C++ 方法：通过在 Java 中声明本地方法（native），并使用 System.loadLibrary() 加载本地库。Java 代码通过 JNI 机制调用底层的 C/C++ 函数。
  2. C/C++ 调用 Java 方法：JNI 允许在 C/C++ 中调用 Java 中的方法，甚至可以操作 Java 对象。
  3. 数据传递：通过 JNI，Java 和 C/C++ 之间可以传递基本数据类型（如整数、浮点数）和复杂的数据结构（如数组、对象等）。

1.3 JNI 的基本结构

  • Java 层：Java 中声明 native 方法，并通过 System.loadLibrary() 加载本地库。
  • 本地层：通过 C/C++ 实现 JNI 接口，并将它编译成共享库（.so 文件）。
  • JNI 头文件：使用 javah 工具（或者在 Android 中通过 ndk-build）生成的头文件，定义了 Java 类与本地方法之间的映射关系。

2. NDK 与 JNI 的关系

在 Android 开发中，NDK（Native Development Kit）是一个工具集，它允许开发者在 Android 应用中编写和使用 C/C++ 代码。JNI 是 NDK 的一部分，它提供了 Android 中 Java 代码和 C/C++ 本地代码之间的交互接口。

2.1 NDK 的功能

NDK 是一组工具和库，允许开发者用 C 和 C++ 编写 Android 应用中的一些性能关键的代码。NDK 提供的功能包括：

  • 访问硬件资源：通过 NDK，你可以直接访问一些低级的硬件特性，比如摄像头、传感器、GPS 等。
  • 性能优化：一些计算密集型的任务（例如图像处理、音视频编解码等）可以通过 C/C++ 实现，性能上更有优势。
  • 使用已有的本地库：有时候开发者会利用一些已有的 C/C++ 库或第三方库，而这些库通常需要通过 NDK 来编译和链接。

2.2 NDK 与 JNI 的结合

  • JNI 是 NDK 与 Java 层之间的桥梁，利用 JNI，Java 层可以调用本地层的 C/C++ 函数，反之，C/C++ 代码也可以调用 Java 层的代码。
  • 使用 NDK 时，JNI 使得 Java 和 C/C++ 之间的数据和方法调用变得可能。
  • 通过 JNI，我们可以在 Java 代码中调用 NDK 中编写的本地方法，或者直接操作 Java 对象。

3. 数据类型

Java、JNI、C/C++ 三者之间的数据类型转换是跨语言编程中的一个核心问题，尤其在涉及到 Java 调用 C/C++ 编写的本地方法时。JNI（Java Native Interface）作为 Java 与 C/C++ 交互的桥梁，提供了一套标准机制来实现 Java 与本地代码之间的数据交换。

3.1 基础类型

Java 通过 JNI 与 C/C++ 交互时，JNI 提供了一些专门的类型和方法来桥接 Java 类型与 C/C++ 类型的差异。

Java 类型JNI 类型C/C++ 类型备注
bytejbytechar (8-bit)JNI 使用 jbyte 来表示 Java 的 byte 类型。
shortjshortshort (16-bit)JNI 使用 jshort 来表示 Java 的 short 类型。
intjintint (32-bit)JNI 使用 jint 来表示 Java 的 int 类型。
longjlonglong long (64-bit)JNI 使用 jlong 来表示 Java 的 long 类型。
floatjfloatfloat (32-bit)JNI 使用 jfloat 来表示 Java 的 float 类型。
doublejdoubledouble (64-bit)JNI 使用 jdouble 来表示 Java 的 double 类型。
charjcharwchar_t (16-bit)JNI 使用 jchar 来表示 Java 的 char 类型，它是 16 位 Unicode 字符，C/C++ 中通常用 wchar_t 来表示宽字符。
booleanjbooleanbool (1-bit)JNI 使用 jboolean 来表示 Java 的 boolean 类型，jboolean 是 8 位的布尔值，通常与 C/C++ 中的 bool 类型兼容。

3.2 引用类型

Java 对象类型通常通过 JNI 提供的 API 转换为 C/C++ 中的指针类型，这些指针类型并不代表实际的数据内容，而是用于访问 Java 对象或方法的接口。

Java 类型JNI 类型C/C++ 类型转换方式JNI API 示例
StringjstringjstringJava String 到 C/C++ 的转换（通过 GetStringUTFChars 或 GetStringChars）env->GetStringUTFChars(jstring, nullptr)
ObjectjobjectjobjectJava 对象到 C/C++ 的转换，可以用来操作任意 Java 对象env->GetObjectClass(jobject)
ClassjclassjclassJava Class 对象到 C/C++ 的转换，通过 FindClass 或 GetObjectClass 获取类引用env->FindClass("java/lang/String")
Array (Object)jobjectArrayjobjectArray对象数组到 C/C++ 的转换，通过 JNI API 访问数组元素env->GetObjectArrayElement(jobjectArray, index)
Array (Primitive)jintArrayjintArray基本类型数组转换（如 int[] 到 jintArray）env->GetIntArrayElements(jintArray, nullptr)
FieldjfieldIDjfieldID通过 JNI 获取字段 ID，通常用于访问 Java 类中的字段env->GetFieldID(jclass, "fieldName", "I")
MethodjmethodIDjmethodID通过 JNI 获取方法 ID，通常用于调用 Java 方法env->GetMethodID(jclass, "methodName", "()V")

4. JNI 中的 Java 签名信息

在学习签名之前，先来看一段Java反射代码：

import java.lang.reflect.Method;

public class ReflectionExample {
    public void sayHello(String name) {
        System.out.println("Hello, " + name);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取 ReflectionExample 类的 Class 对象
        Class<?> clazz = Class.forName("ReflectionExample");

        // 获取方法 sayHello(String)
        Method method = clazz.getMethod("sayHello", String.class);

        // 创建实例并调用方法
        Object instance = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        method.invoke(instance, "World");
    }
}

在clazz.getMethod中，我们通过方法名称 和 参数类型拿到了sayHello方法，在JNI中C/C++ 调用Java的方法也类似，不同点是参数类型 和 返回值 要用签名方式代替（因为C/C++不能直接拿到Java方法嘛），那么JNI中签名长什么样呢？

4.1 基本数据类型的签名

Java 中的基本数据类型对应 JNI 中的签名符号。JNI 使用单一字符来表示 Java 中的基本数据类型。

Java 类型JNI 签名
booleanZ
byteB
charC
shortS
intI
longJ
floatF
doubleD
voidV

4.2 对象类型的签名

Java 对象类型（类类型、接口类型等）的签名格式如下：

  • 以 L 开始，后接类的全名（包括包名），最后以 ; 结尾。例如，String 类型的签名为 Ljava/lang/String;。
  • 注意：数组类型的签名也以 [ 开头，并且每增加一个维度就多一个 [。
Java 类型JNI 签名
StringLjava/lang/String;
ObjectLjava/lang/Object;
int[][I
String[][Ljava/lang/String;
Object[][Ljava/lang/Object;

4.3 方法签名

Java 方法的签名由两部分组成：方法的参数类型和返回类型，方法签名的格式为：(参数类型1, 参数类型2, ...)返回类型。例如，一个有两个 int 参数并返回 String 类型的方法签名为 (II)Ljava/lang/String;。

Java 方法JNI 签名
int add(int a, int b)(II)I
String getName(String name)(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
void setValues(int x, int y)(II)V

4.4 构造函数签名

Java 构造函数的签名与普通方法类似，不同之处在于构造函数没有返回类型（V），且通常没有方法名。在 JNI 中，构造函数的签名格式是 (参数类型1, 参数类型2, ...)V。

Java 构造函数JNI 签名
MyClass(int, String)(ILjava/lang/String;)V

4.5 静态方法签名(重点)

静态方法的签名与实例方法类似，唯一的区别是静态方法是类级别的，因此它通过类的对象引用来调用。静态方法的签名与实例方法的签名相同，但 JNI 调用时不需要实例对象。

没必要死记硬背，有规律的，写两遍就记住了

4.6 示例

(1) 获取 Java 方法签名

GetMethodID 或 GetStaticMethodID,拿到相应的方法。

jmethodID methodId = env->GetMethodID(clazz, "methodName", "(I)Ljava/lang/String;");

这个方法的签名为 (I)Ljava/lang/String;，表示该方法有一个 int 类型的参数，返回一个 String 类型。

(2) 获取字段签名
GetFieldID 或 GetStaticFieldID,拿到类的属性字段。

jfieldID fieldId = env->GetFieldID(clazz, "fieldName", "Ljava/lang/String;");

这个字段的签名为 Ljava/lang/String;，表示它是一个 String 类型的字段。

(3) 构造函数签名
通过签名和构造函数名称查找类的构造函数 ID。构造函数的签名与普通方法相同，但没有返回类型。

jmethodID constructorId = env->GetMethodID(clazz, "<init>", "(I)V");

构造函数的签名为 (I)V，表示它接受一个 int 类型的参数并没有返回值。

5. 在Android中使用JNI

5.1 配置项目

在build.gradle包含对NDK的支持:

android {
    ...
    defaultConfig {
        ...
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags ""
            }
        }
    }
    externalNativeBuild {
        cmake {
            path "CMakeLists.txt"
        }
    }
}

5.2 编写Java代码

在Java代码中声明本地方法:

public class NativeLib {
    static {
        System.loadLibrary("native-lib");
    }

    public native String stringFromJNI();
}

5.3 编写C/C++代码

在cpp目录下创建对应的C/C++文件，实现上述声明的本地方法：

#include <jni.h>
#include <string>

extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_example_myapplication_NativeLib_stringFromJNI(JNIEnv* env, jobject /* this */) {
    std::string hello = "Hello from C++";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

5.4 配置CMakeLists.txt

在项目的根目录下，配置CMakeLists.txt 如：

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

add_library(
    native-lib
    SHARED
    src/main/cpp/native-lib.cpp)

find_library(
    log-lib
    log)

target_link_libraries(
    native-lib
    ${log-lib})

如果你项目中想写多个.cpp文件，CMakeLists.txt xiugai配置如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

add_library(
    native-lib
    SHARED
    src/main/cpp/native-lib.cpp)

add_library(
    native-lib2
    SHARED
    src/main/cpp/native-lib2.cpp)

//更多...

find_library(
    log-lib
    log)

target_link_libraries(
    native-lib
    ${log-lib})
    
target_link_libraries(
    native-lib2
    ${log-lib})

//更多...

即在 find_library 和 target_link_libraries 增加相对应的.cpp文件即可。

6. 实战

因为在写这篇文章之前，我已经完善了一些实战的功能，在此就不一一讲解了，包括：

  • 传递int数据
  • 传递String数据
  • 传递Array数据
  • 在C++中调用Java的返回值Void方法
  • 在C++中调用Java的返回值int方法
  • 在C++中调用Java的返回值String方法
  • 在C++中显示Toast
  • 文本加解密演示
  • 锅炉压力进度条
  • C++ 创建子线程
  • C++ 线程锁之生产者消费者
  • 串口通信(SerialPort) - 可拿来直接使用，已验证功能。

代码已经上传Github：JNIStudy，感兴趣的可以下载看看，里面我加了世上最全注释，由基础到复杂，看不懂来打我！😆

打包为.so文件可以看我的这篇文章：在Android中，将 .cpp 文件编译成共享库（.so 文件）

7. 最后

之前一直对JNI望而却步，真正学过后回头看看，也不是那么的难，难的是你不主动去学。所有伟大，都源于一个勇敢的开始！共勉！

另外给喜欢记笔记的同学安利一款好用的云笔记软件，对比大部分国内的这个算还不错的，免费好用：wolai

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