Android JNI 学习实践
01.学习JNI开发流程
1.1 JNI开发概念 1.2 JNI和NDK的关系 1.3 JNI实践步骤 1.4 NDK使用场景 1.5 学习路线说明 02.NDK架构分层
2.1 NDK分层构建层 2.2 NDK分层Java层 2.3 Native层 03.JNI基础语法
3.1 JNI三种引用 3.2 JNI异常处理 3.3 C和C++互相调用 3.4 JNI核心原理 3.5 注册Native函数 3.6 JNI签名是什么 04.一些必备操作
4.1 so库生成打包 4.2 so库查询操作 4.3 so库如何反编译 05.实践几个案例
5.1 Java静态调用C/C++ 5.2 C/C++调用Java 5.3 Java调三方so中API 5.4 Java动态调C++ 06.一些技术原理
6.1 JNIEnv创建和释放 6.2 动态注册的原理 6.3 注册JNI流程图 07.JNI遇到的问题
.SO库是什么东西
NDK为了方便使用，提供了一些脚本，使得更容易的编译C/C++代码。在Android程序编译中会将C/C++ 编译成动态库 so 文件，类似java库.jar文件一样，它的生成需要使用NDK工具来打包。 so是shared object的缩写，见名思义就是共享的对象，机器可以直接运行的二进制代码。实质so文件就是一堆C、C++的头文件和实现文件打包成一个库。 JNI是什么东西
JNI的全称是Java Native Interface，即本地Java接口。因为 Java 具备跨平台的特点，所以Java 与 本地代码交互的能力非常弱。 采用JNI特性可以增强 Java 与本地代码交互的能力，使Java和其他类型的语言如C++/C能够互相调用。 JNI和NDK学习内容太难
其实难的不是JNI和NDK，而是C/C++语言，JNI和NDK只是个工具，很容易学习的。 JNI和NDK有何联系
学习JNI之前，首先得先知道JNI、NDK、Java和C/C++之间的关系。 在Android开发中，有时为了性能和安全性（反编译），需要使用C/C++语言，但是Android APP层用的是Java语言，怎么才能让这两种语言进行交流呢，因为他们的编码方式是不一样的，这是就需要JNI了。 JNI可以被看作是代理模式，JNI是java接口，用于Java与C/C++之间的交互，作为两者的桥梁，也就是Java让JNI代其与C/C++沟通。 NDK是Android工具开发包，帮助快速开发C/C++动态库，相当于JDK开发java程序一样，同时能帮打包生成.so库 操作实践步骤
第一步，编写native方法。 第二步，根据此native方法编写C文件。 第三步，使用NDK打包成.so库。 第四步，使用.so库然后调用api。 如何使用NDK打包.so库
1，编写Android.mk文件，此文件用来告知NDK打包.so库的规则 2，使用ndk-build打包.so库 相关学习文档
NDK学习：https://developer.android.google.cn/ndk/guides?hl=zh-cn NDK的使用场景一般在：
1.为了提升这些模块的性能，对图形，视频，音频等计算密集型应用，将复杂模块计算封装在.so或者.a文件中处理。 2.使用的是C/C++进行编写的第三方库移植。如ffmppeg，OpenGl等。 3.某些情况下为了提高数据安全性，也会封装so来实现。毕竟使用纯Java开发的app是有很多逆向工具可以破解的。 JNI学习路线介绍
1.首先要有点C/C++的基础，这个我是在 菜鸟教程 上学习的 2.理解NDK和JNI的一些概念，以及NDK的一个大概的架构分层，JNI的开发步骤是怎样的 3.掌握案例练习，前期先写案例，比如java调用c/c++，或者c/c++调用java。把这个案例写熟，跑通即可 4.案例练习之后，然后在思考NDK是怎么编译的，如何打包so文件，loadLibrary的流程，CMake工作流程等一些基础的原理 5.在实践过程中，先记录遇到的问题。这时候可能不一定懂，先放着，先实现案例或者简单的业务。然后边实践边琢磨问题和背后的原理 注意事项介绍
避免一开始就研究原理，或者把C/C++整体学习一遍，那样会比较辛苦。焦点先放在JNI通信流程上，写案例学习 把学习内容，分为几个不同类型：了解(能够扯淡)，理解(大概知道什么意思)，掌握(能够运用和实践)，精通(能举一反三和分享讲清楚) 使用NDK开发最终目标是为了将C/C++代码编译生成.so动态库或者静态库文件，并将库文件提供给Java代码调用。 所以按架构来分可以分为以下三层：
要得到目标的so文件，需要有个构建环境以及过程，将这个过程和环境称为构建层。
构建层需要将C/C++代码编译为动态库so，那么这个编译的过程就需要一个构建工具，构建工具按照开发者指定的规则方式来构建库文件，类似apk的Gradle构建过程。 在讲解NDK构建工具之前，我们先来了解一些关于CPU架构的知识点：Android abi
ABI即Application Binary Interface，定义了二进制接口交互规则，以适应不同的CPU，一个ABI对应一种类型的CPU。 Android目前支持以下7种ABI：
1.armeabi：第5代和6代的ARM处理器，早期手机用的比较多。 2.armeabi-v7a:第7代及以上的 ARM 处理器。 3.arm64-v8a:第8代，64位ARM处理器 4.x86:一般用在平板，模拟器。 5.x86_64:64位平板。 常规的NDK构建工具有两种：
ndk-build其实就是一个脚本。早期的NDK开发一直都是使用这种模式
运行ndk-build相当于运行一下命令：$GNUMAKE -f /build/core/build-local.mk $GNUMAKE 指向 GNU Make 3.81 或更高版本， 则指向 NDK 安装目录 使用ndk-build需要配合两个mk文件：Android.mk和Application.mk。 Cmake是一个编译系统的生成器
简单理解就是，他是用来生成makefile文件的，Android.mk其实就是一个makefile类文件，cmake使用一个CmakeLists.txt的配置文件来生成对应的makefile文件。 Cmake构建so的过程其实包括两步：步骤1：使用Cmake生成编译的makefiles文件；步骤2：使用Make工具对步骤1中的makefiles文件进行编译为库或者可执行文件。 Cmake优势在哪里呢？在生成makefile过程中会自动分析源代码，创建一个组件之间依赖的关系树，这样就可以大大缩减在make编译阶段的时间。 Cmake构建项目配置
使用Cmake进行构建需要在build.gradle配置文件中声明externalNativeBuild 如何理解JNI的设计思想
JNI（全名Java Native Interface）Java native接口，其可以让一个运行在Java虚拟机中的Java代码被调用或者调用native层的用C/C++编写的基于本机硬件和操作系统的程序。简单理解为就是一个连接Java层和Native层的桥梁。 开发者可以在native层通过JNI调用到Java层的代码，也可以在Java层声明native方法的调用入口。 JNI注册方式
当Java代码中执行Native的代码的时候，首先是通过一定的方法来找到这些native方法。JNI有静态注册和动态注册两种注册方式。 静态注册先由Java得到本地方法的声明，然后再通过JNI实现该声明方法。动态注册先通过JNI重载JNI_OnLoad()实现本地方法，然后直接在Java中调用本地方法。 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）。 Local引用
JNI中使用 jobject, jclass, and jstring等来标志一个Java对象，然而在JNI方法在使用的过程中会创建很多引用类型，如果使用过程中不注意就会导致内存泄露。 直接使用：NewLocalRef来创建。Local引用其实就是Java中的局部引用，在声明这个局部变量的方法结束或者退出其作用域后就会被GC回收。 Global引用全局引用
全局引用可以跨方法、跨线程使用，直到被开发者显式释放。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，能创建全局引用的函数只有NewGlobalRef，而释放它需要使用ReleaseGlobalRef函数。 Weak引用
弱引用可以使用全局声明的方式。弱引用在内存不足或者紧张的时候会自动回收掉，可能会出现短暂的内存泄露，但是不会出现内存溢出的情况。 native层异常
处理方式1：native层自行处理 处理方式2：native层抛出给Java层处理 java运行在jvm，jvm本身就是使用C/C++编写的，因此jni只需要在java代码、jvm、C/C++代码之间做切换即可
JNIEnv是什么？
JINEnv是当前Java线程的执行环境，一个JVM对应一个JavaVM结构体，一个JVM中可能创建多个Java线程，每个线程对应一个JNIEnv结构，它们保存在线程本地存储TLS中。 因此不同的线程JNIEnv不同，而不能相互共享使用。 JavaEnv结构也是一个函数表，在本地代码通过JNIEnv函数表来操作Java数据或者调用Java方法。 JNI静态注册：
步骤1.在Java中声明native方法，比如：public native String stringFromJNI() 步骤2.在native层新建一个C/C++文件,并创建对应的方法(建议使用AS快捷键自动生成函数名)，比如：testjnilib.cpp: Line 8 JNI动态注册
通过RegisterNatives方法把C/C++中的方法映射到Java中的native方法，而无需遵循特定的方法命名格式，这样书写起来会省事很多。 动态注册其实就是使用到了前面分析的so加载原理：在最后一步的JNI_OnLoad中注册对应的jni方法。这样在类加载的过程中就可以自动注册native函数。比如： 与JNI_OnLoad()函数相对应的有JNI_OnUnload()函数，当虚拟机释放该C库的时候，则会调用JNI_OnUnload()函数来进行善后清除工作。 那么如何选择使用静态注册or动态注册
动态注册和静态注册最终都可以将native方法注册到虚拟机中，推荐使用动态注册，更不容易写错，静态注册每次增加一个新的方法都需要查看原函数类的包名。 为什么JNI中突然多出了一个概念叫”签名”：
因为Java是支持函数重载的，也就是说，可以定义相同方法名，但是不同参数的方法，然后Java根据其不同的参数，找到其对应的实现的方法。 这样是很好，所以说JNI肯定要支持的，如果仅仅是根据函数名，没有办法找到重载的函数的，所以为了解决这个问题，JNI就衍生了一个概念——”签名”，即将参数类型和返回值类型的组合。 如果拥有一个该函数的签名信息和这个函数的函数名，就可以顺序的找到对应的Java层中的函数。 如何查看签名呢：可以使用javap命令。
javap -s -p MainActivity.class 什么是so文件库
so库，即将C或者C++实现的功能进行打包，将其打包为共享库，让其他程序进行调用，这可以提高代码的复用性。 关于.so文件的生成有两种方式
可以提供给大家参考，一种是CMake自动生成法，另一种是传统打包法。 so文件在程序运行时就会加载
所以想使用Java调用.so文件，必有某个Java类运行时load了native库，并通过JNI调用了它的方法。 cmake生成.so方案
第一步：创建native C++ Project项目，创建native函数并实现，先测试本地JNI函数调通 第二步：获取.so文件。将生成的.apk文件改为.zip文件，然后进行解压缩，就能看到.so文件。如果想支持多种库架构，则可在module的build.gradle中配置ndk支持。 第三步：so文件测试。新建一个普通的Android程序，将so库放入程序，然后创建类(注意要相同的包名、文件名及方法名)去加载so库。 总结一下：Android Studio自动创建的native C++项目默认支持CMake方式，它支持JNI函数调用的入口在build.gradle中。 传统打包生成.so方案【不推荐这种方式】
第一步：在Java类中声明一个本地方法。 第二步：执行指令javah获得C声明的.h文件。 第三步：获得.c文件并实现本地方法。创建Android.mk和Application.mk，并配置其参数，两个文件如不编写或编写正常会出现报错。 第四步：打包.so库。cd到\app目录下，执行命令 ndk-build即可。生成so库后，最后测试ok即可。 Java调用C/C++函数调用流程
Java层调用某个函数时，会从对应的JNI层中寻找该函数。根据java函数的包名、方法名、参数列表等多方面来确定函数是否存在。 如果没有就会报错，如果存在就会就会建立一个关联关系，以后再调用时会直接使用这个函数，这部分的操作由虚拟机完成。 Java层调用C/C++方法操作步骤
第一步：创建java类NativeLib，然后定义native方法stringFromJNI() public native String stringFromJNI();
第二步：根据此native方法编写C文件，可以通过命令后或者studio提示生成C++对应的方法函数 //java中stringFromJNI
//extern “C” 指定以"C"的方式来实现native函数
extern "C"
//JNIEXPORT 宏定义，用于指定该函数是JNI函数。表示此函数可以被外部调用，在Android开发中不可省略
JNIEXPORT jstring
//JNICALL 宏定义，用于指定该函数是JNI函数。，无实际意义，但是不可省略
JNICALL
//以注意到jni的取名规则，一般都是包名 + 类名，jni方法只是在前面加上了Java_，并把包名和类名之间的.换成了_
Java_com_yc_testjnilib_NativeLib_stringFromJNI(JNIEnv *env, jobject /* this */) {
//JNIEnv 代表了JNI的环境，只要在本地代码中拿到了JNIEnv和jobject
//JNI层实现的方法都是通过JNIEnv 指针调用JNI层的方法访问Java虚拟机，进而操作Java对象，这样就能调用Java代码。
//jobject thiz
//在AS中自动为我们生成的JNI方法声明都会带一个这样的参数，这个instance就代表Java中native方法声明所在的
std::string hello = "Hello from C++";
//思考一下，为什么直接返回字符串会出现错误提示？
//return "hello";
return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}
举一个例子
例如在 NativeLib 类的native stringFromJNI()方法，程序会自动在JNI层查找 Java_com_yc_testjnilib_NativeLib_stringFromJNI 函数接口，如未找到则报错。如找到，则会调用native库中的对应函数。 Native层调用Java层的类的字段和方法的操作步骤
第一步：创建一个Native C++的Android项目，创建 Native Lib 项目 第二步：在cpp文件夹下创建：calljnilib.cpp文件，calljnilib.h文件(用来声明calljnilib.cpp中的方法)。 第三步：开始编写配置文件CmkaeLists.txt文件。使用add_library创建一个新的so库 第四步：编写 calljnilib.cpp文件。因为要实现native层调用Java层字段和方法，所以这里定义了两个方法：callJavaField和callJavaMethod 第五步：编写Java层的调用代码此处要注意的是调用的类的类名以及包名都要和c++文件中声明的一致，否则会报错。具体看：CallNativeLib 第六步：调用代码进行测试。然后查看测试结果 直接拿前面案例的 calljnilib.so 来测试，但是为了实现三方调用还需要对文件进行改造
第一步：要实现三方so库调用，在 calljnilib.h中声明两个和 calljnilib.cpp中对应的方法：callJavaField和callJavaMethod，一般情况下这个头文件是第三方库一起提供的给外部调用的。 第二步：对CMakeLists配置文件改造。主要是做一些库的配置操作。 第三步：编写 third_call.cpp文件，在这内部调用第三方库。这里需要将第三方头文件导入进来，如果CmakeLists文件中没有声明头文件，就使用#include “include/calljnilib.h” 这种方式导入 第四步：最后测试下：callThirdSoMethod(“com/yc/testjnilib/HelloCallBack”,“updateName”); 先说一下静态调C++的问题：
在实现stringFromJNI()时，可以看到c++里面的方法名很长 Java_com_yc_testjnilib_NativeLib_stringFromJNI。 这是jni静态注册的方式，按照jni规范的命名规则进行查找，格式为Java_类路径_方法名。Studio默认这种方式名字太长了，能否设置短一点。 程序运行效率低，因为初次调用native函数时需要根据根据函数名在JNI层中搜索对应的本地函数，然后建立对应关系，这个过程比较耗时。 动态注册方法解决上面问题
当程序在Java层运行System.loadLibrary(“testjnilib”)；这行代码后，程序会去载入testjnilib.so文件。 于此同时，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，在载入的.so文件被卸载时，Unload事件被触发。 此时，程序默认会去载入的.so文件的函数列表中查找JNI_OnLoad函数并执行，然后卸载.so文件。 因此开发者经常会在JNI_OnLoad中做一些初始化操作，动态注册就是在这里进行的，使用env->RegisterNatives(clazz, gMethods, numMethods)。 动态注册操作步骤：
第一步：因为System.loadLibrary()执行时会调用此方法，实现JNI_OnLoad方法。 第二步：调用FindClass找到需要动态注册的java类【定义要关联的对应Java类】，注意这个是native方法那个类的路径字符串 第三步：定义一个静态数据(JNINativeMethod类型)，里面存放需要动态注册的native方法，以及参数名称 第四步：通过调用jni中的RegisterNatives函数将注册函数的Java类，以及注册函数的数组，以及个数注册在一起，这样就实现了绑定。 动态注册优势分析
相比静态注册，动态注册的灵活性更高，如果修改了native函数所在类的包名或类名，仅调整native函数的签名信息即可。 还有一个优势：动态注册，java代码不需要更改，只需要更改native代码。 效率更高：通过在.so文件载入初始化时，即JNI_OnLoad函数中，先行将native函数注册到VM的native函数链表中去，后续每次java调用native函数时都会在VM中的native函数链表中找到对应的函数，从而加快速度。 JNIEnv的创建方式
C 中——JNIInvokeInterface：JNIInvokeInterface是C语言环境中的JavaVM结构体，调用 (AttachCurrentThread)(JavaVM, JNIEnv*, void) 方法，能够获得JNIEnv结构体； C++中 ——_JavaVM：_JavaVM是C++中JavaVM结构体，调用jint AttachCurrentThread(JNIEnv** p_env, void* thr_args) 方法，能够获取JNIEnv结构体； JNIEnv的释放：
C 中释放：调用JavaVM结构体JNIInvokeInterface中的(DetachCurrentThread)(JavaVM)方法，能够释放本线程的JNIEnv C++ 中释放：调用JavaVM结构体_JavaVM中的jint DetachCurrentThread(){ return functions->DetachCurrentThread(this); } 方法，就可以释放 本线程的JNIEnv JNIEnv和线程的关系
JNIEnv只在当前线程有效：JNIEnv仅仅在当前线程有效，JNIEnv不能在线程之间进行传递，在同一个线程中，多次调用JNI层方便，传入的JNIEnv是同样的 本地方法匹配多个JNIEnv：在Java层定义的本地方法，能够在不同的线程调用，因此能够接受不同的JNIEnv 在Android源码开发环境下，大多采用动态注册native方法。
利用结构体JNINativeMethod保存Java Native函数和JNI函数的对应关系； 在一个JNINativeMethod数组中保存所有native函数和JNI函数的对应关系； 在Java中通过System.loadLibrary加载完JNI动态库之后，调用JNI_OnLoad函数，开始动态注册； JNI_OnLoad中会调用AndroidRuntime::registerNativeMethods函数进行函数注册； AndroidRuntime::registerNativeMethods中最终调用jni RegisterNativeMethods完成注册。 动态注册原理分析
RegisterNatives 方式的本质是直接通过结构体指定映射关系，而不是等到调用 native 方法时搜索 JNI 函数指针，因此动态注册的 native 方法调用效率更高。 此外，还能减少生成 so 库文件中导出符号的数量，则能够优化 so 库文件的体积。 提到了注册 JNI 函数（建立 Java native 方法和 JNI 函数的映射关系）有两种方式：静态注册和动态注册。
分析下静态注册匹配 JNI 函数的执行过程
第一步：以 loadLibrary() 加载 so 库的执行流程为线索进行分析的，最终定位到 FindNativeMethod() 这个方法。 第二步：查看java_vm_ext.cc中FindNativeMethod方法，然后看到jni_short_name和jni_long_name，获取native方法对应的短名称和长名称。 第三步：在java_vm_ext.cc，通过FindNativeMethodInternal查找已经加载的so库中搜索，先搜索短名称，然后再搜索长名称 第四步：建立内部数据结构，建立 Java native 方法与 JNI 函数的函数指针的映射关系，调用 native 方法，则直接调用已记录的函数指针。 比如：对于JNI方法来说，使用如下方法返回或者调用直接崩溃了，有点搞不懂原理？env->CallMethod(objCallBack,_methodName,"123");
这段代码编译没问题，但是在运行的时候就报错了：JNI DETECTED ERROR IN APPLICATION: use of deleted global reference
最终定位到是最后一个参数需要使用jstring而不能直接使用字符串表示。如下所示：//思考一下，为什么直接返回字符串会出现错误提示？为何这样设计……
//return "hello";
return env->NewStringUTF(hello.c_str());
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