[Android JNI] --- JNI基础

news2024/11/19 9:35:55

1 JNI概念

什么是JNI
JNI 全称 Java Native Interface，Java 本地化接口，可以通过 JNI 调用系统提供的 API。操作系统，无论是 Linux，Windows 还是 Mac OS，或者一些汇编语言写的底层硬件驱动都是 C/C++ 写的。Java和C/C++不同 ，它不会直接编译成平台机器码，而是编译成虚拟机可以运行的Java字节码的.class文件，通过JIT技术即时编译成本地机器码，所以有效率就比不上C/C++代码，JNI技术就解决了这一痛点，JNI 可以说是 C 语言和 Java 语言交流的适配器、中间件。
JNI调用示意图：
在这里插入图片描述

什么是NDK？
NDK 全名Native Develop Kit，官方说法：Android NDK 是一套允许您使用 C 和 C++ 等语言，以原生代码实现部分应用的工具集。在开发某些类型的应用时，这有助于您重复使用以这些语言编写的代码库。

JNI与NDK区别
JNI：JNI是一套编程接口，用来实现Java代码与本地的C/C++代码进行交互；
NDK: NDK是Google开发的一套开发和编译工具集，可以生成动态链接库，主要用于Android的JNI开发；

JNI与NDK中都有jni.h文件
jdk中jni.h路径
C:\Program Files\Java\jdk-1.8\include\jni.h路径
ndk中jni.h路径
C:\Users\Administrator\AppData\Local\Android\Sdk\ndk\25.1.8937393\toolchains\llvm\prebuilt\windows-x86_64\sysroot\usr\include
ndk对jdk的jni.h进行了封装，native c/c++使用的是ndk中的jni.h

JNI在Android中作用
JNI可以调用本地代码库(即C/C++代码)，并通过 Dalvik 虚拟机与应用层和应用框架层进行交互，Android中JNI代码主要位于应用层和应用框架层；

  • 应用层: 该层是由JNI开发，主要使用标准JNI编程模型；
  • 应用框架层: 使用的是Android中自定义的一套JNI编程模型，该自定义的JNI编程模型弥补了标准JNI编程模型的不足；

2 JNI数据类型映射

在 JNI 开发中，Java 的数据类型并不是直接在 JNI 里使用的

2.1 基本数据类型

Java基本数据类型和本地类型的映射关系，这些基本数据类型都是可以直接在 Native 层直接使用的

Java数据类型JNI本地类型C/C++数据类型数据类型描述
booleanjbooleanunsigned charC/C++无符号8为整数
bytejbytesigned charC/C++有符号8位整数
charjcharunsigned shortC/C++无符号16位整数
shortjshortsigned shortC/C++有符号16位整数
intjintsigned intC/C++有符号32位整数
longjlongsigned longC/C++有符号64位整数
floatjfloatfloatC/C++32位浮点数
doublejdoubledoubleC/C++64位浮点数

2.2 引用数据类型

引用数据类型和本地类型的映射关系：

Java数据类型JNI本地类型数据类型描述
java.lang.Objectjobject可以表示任何Java的对象，或者没有JNI对应类型的Java对象（实例方法的强制参数）
java.lang.StringjstringJava的String字符串类型的对象
java.lang.ClassjclassJava的Class类型对象（静态方法的强制参数）
Object[]jobjectArrayJava任何对象的数组表示形式
boolean[]jbooleanArrayJava基本类型boolean的数组表示形式
byte[]jbyteArrayJava基本类型byte的数组表示形式
char[]jcharArrayJava基本类型char的数组表示形式
short[]jshortArrayJava基本类型short的数组表示形式
int[]jintArrayJava基本类型int的数组表示形式
long[]jlongArrayJava基本类型long的数组表示形式
float[]jfloatArrayJava基本类型float的数组表示形式
double[]jdoubleArrayJava基本类型double的数组表示形式
java.lang.ThrowablejthrowableJava的Throwable类型，表示异常的所有类型和子类
voidvoidN/A

需要注意的是：
1）引用类型不能直接在 Native 层使用，需要根据 JNI 函数进行类型的转化后，才能使用;
2）多维数组（含二维数组）都是引用类型，需要使用 jobjectArray 类型存取其值；

2.3 方法和变量ID

同样不能直接在 Native 层使用。当 Native 层需要调用 Java 的某个方法时，需要通过 JNI 函数获取它的 ID，根据 ID 调用 JNI 函数获取该方法；变量的获取也是类似。ID 的结构体如下：

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

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

3 JNI描述符

3.1 域描述符

基本类型描述符

在这里插入图片描述
Tips:
除了 boolean 和 long 类型分别是 Z 和 J 外，其他的描述符对应的类型名的大写首字母

引用类型描述符

一般引用类型描述符的规则如下，注意不要丢掉“；”

L + 类描述符 + ;

如，String 类型的域描述符为：

Ljava/lang/String;

数组的域描述符特殊一点，如下，其中有多少级数组就有多少个“[”，数组的类型为类时，则有分号，为基本类型时没有分号

[ + 其类型的域描述符

例如：

int[]    描述符为 [I
double[] 描述符为 [D
String[] 描述符为 [Ljava/lang/String;
Object[] 描述符为 [Ljava/lang/Object;
int[][]  描述符为 [[I
double[][] 描述符为 [[D

对应在 jni.h 获取 Java 的字段的 native 函数如下，name为 Java 的字段名字，sig 为域描述符

//C
jfieldID    (*GetFieldID)(JNIEnv*, jclass, const char*, const char*);
jobject     (*GetObjectField)(JNIEnv*, jobject, jfieldID);
//C++
jfieldID GetFieldID(jclass clazz, const char* name, const char* sig)
    { return functions->GetFieldID(this, clazz, name, sig); }
jobject GetObjectField(jobject obj, jfieldID fieldID)
    { return functions->GetObjectField(this, obj, fieldID); }

3.2 类描述符

类描述符是类的完整名称：包名+类名，java 中包名用 . 分割，jni 中改为用 / 分割
如，Java 中 java.lang.String 类的描述符为 java/lang/String
native 层获取 Java 的类对象，需要通过 FindClass() 函数获取， jni.h 的函数定义如下：

//C
jclass  (*FindClass)(JNIEnv*, const char*);
//C++
jclass FindClass(const char* name)
    { return functions->FindClass(this, name); }

字符串参数就是类的引用类型描述符，如 Java 对象 cn.cfanr.jni.JniTest，对应字符串为Lcn/cfanr/jni/JniTest; 如下：

jclass jclazz = env->FindClass("Lcn/cfanr/jni/JniTest;");

3.3 方法描述符

方法描述符需要将所有参数类型的域描述符按照声明顺序放入括号，然后再加上返回值类型的域描述符，其中没有参数时，不需要括号，如下规则：

(参数……)返回类型

例如：

  Java 层方法   ——>  JNI 函数签名
String getString()  ——>  Ljava/lang/String;
int sum(int a, int b)  ——>  (II)Ivoid main(String[] args) ——> ([Ljava/lang/String;)V

另外，对应在 jni.h 获取 Java 方法的 native 函数如下，其中 jclass 是获取到的类对象，name 是 Java 对应的方法名字，sig 就是上面说的方法描述符

//C
jmethodID   (*GetMethodID)(JNIEnv*, jclass, const char*, const char*);
//C++
jmethodID GetMethodID(jclass clazz, const char* name, const char* sig)
    { return functions->GetMethodID(this, clazz, name, sig); }

不需要记住，可以使用下面方法查看签名

java -s -p xxx.class

4 静态注册和动态注册

当执行一个 Java 的 native 方法时，虚拟机是怎么知道该调用 so 中的哪个方法呢？这就需要用到注册的概念了，通过注册，将指定的 native 方法和 so 中对应的方法绑定起来（函数映射表），这样就能够找到相应的方法了。
注册分为 静态注册 和 动态注册两种。

4.1 静态注册

定义
通过 JNIEXPORT 和 JNICALL 两个宏定义声明，在虚拟机加载 so 时发现上面两个宏定义的函数时就会链接到对应的 native 方法。

规则
java_完整包名_类名_方法名
特殊规则：

  • 包名或类名或方法名中含下划线 _ 要用 _1 连接；
  • 重载的本地方法命名要用双下划线 __ 连接；
  • 参数签名的斜杠 “/” 改为下划线 “_” 连接，分号 “;” 改为 “_2” 连接，左方括号 “[” 改为 “_3” 连接；
    另外，对于 Java 的 native 方法，static 和非 static 方法的区别在于第二个参数，static 的为 jclass，非 static 的 为 jobject；JNI 函数中是没有修饰符的。

示例

包名：com.android.javac，类名：NativeAccessJava

// java method
public native void setJavaString();

// jni method
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_android_javac_NativeAccessJava_setJavaString(JNIEnv *env, jobject thiz)

4.2 动态注册

动态注册原理
动态注册 JNI 的原理：直接告诉 native 方法其在JNI 中对应函数的指针。通过使用 JNINativeMethod 结构来保存 Java native 方法和 JNI 函数关联关系，步骤：
1> 先编写 Java 的 native 方法；
2> 编写 JNI 函数的实现（函数名可以随便命名）；
3> 利用结构体 JNINativeMethod 保存Java native方法和 JNI函数的对应关系；
4> 利用registerNatives(JNIEnv* env)注册类的所有本地方法；
5> 在 JNI_OnLoad 方法中调用注册方法；
6> 在Java中通过System.loadLibrary加载完JNI动态库之后，会自动调用JNI_OnLoad函数，完成动态注册；

不再使用 JNIEXPORT 和 JNICALL 两个宏定义声明指定的方法，也不用依照固定的命名规则命名方法（不过通常 jni 里的方法名还是保持和 native 方法的方法名一致，见名思义），而是通过了一个 RegisterNatives 方法完成了动态注册。

函数映射表
JNINativeMethod这其实是一个结构体，在jni.h头文件中定义,通过这个结构体从而使Java与jni建立联系

typedef struct {
const char* name; //Java中函数的名字
const char* signature;//符号签名，描述了函数的参数和返回值
void* fnPtr;//函数指针，指向一个被调用的函数
} JNINativeMethod;

示例

// java method
    public native String stringFromJNI();
    public static native int add(int a, int b);
// jni register
jint DyReg::RegisterNatives(JNIEnv *env) {
    LOGE("RegisterNatives");
    jclass clazz = env->FindClass("com/android/javac/DynamicReg");
    if (clazz == NULL) {
        LOGE("could't find class: com/android/javac/DynamicReg");
        return JNI_ERR;
    }
    JNINativeMethod methods_MainActivity[] = {
            {"stringFromJNI", "()Ljava/lang/String;", (void *) stringFromJNI},
            {"add",           "(II)I",                (void *) add}
    };
    // int len = sizeof(methods_MainActivity) / sizeof(methods_MainActivity[0]);
    return env->RegisterNatives(clazz, methods_MainActivity,
                                sizeof(methods_MainActivity) / sizeof(methods_MainActivity[0]));
}

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