理解 JNI 技术

• 2017-05-17
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JNI 即Java native interface,，是一种技术，提供了丰富的接口，可以在Java层调用native代码，也可以在native层调用Java代码，native代码一般是指C/C++程序。JNI就像是一座桥，连通着Java与native。阅读Android源代码的时候可以发现其用了大量的JNI技术，如果要深入学习Android了解JNI技术是必不可少的。在追求性能，对安全性要求高或者计算密集型的模块，使用JNI技术是一种不错的选择。

本篇文章会介绍JNI技术，下篇文章将以”使用OpenCV处理图像”做为一个例子来加深对JNI技术的理解。

在Java中有个native关键字来声明该方法为native方法，调用它最终将会调用native代码，在调用该方法之前必须先调用System.loadLibrary来加载一个动态链接库，在Linux系统中动态链接库的格式一般为so，Windows系统中为dll。如果我这样加载一个动态链接库System.loadLibrary(“native_lib”)，那么系统会自动根据不同的平台拓展成真实的动态库文件名，Linux系统上会拓展成libnative_lib.so，而在Windows平台上则会拓展成native_lib.dll，在Android环境下，会查找以下文件/data/app/${packagename}/lib/${cpu平台}/libnative_lib.so，如果找不到这个文件便会报无法链接的错误。如果这一步加载没问题，那我们调用以native声明的Java方法是如何寻找到native代码的呢？

比如这样一个类：

package me.pqpo;
public class NativeUtils {
static {
System.loadLibrary("native_lib");
}
public static void nativeInit();
}

如果调用NativeUtils.nativeInit();最终会调用到：

#include <jni.h>
#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;
extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_me_pqpo_NativeUtils_nativeInit(JNIEnv *env, jclass type) {
cout << "nativeInit" << endl;
}

正如你所见，是按照一定规则的方法名称查找到的，Java_ + 包名（点换成下划线）+ _ + 类名 + _ + 方法名，为了方便，可以直接使用javah命令生成，初次调用native函数时，虚拟机会建立起这个映射关系。这便是静态注册。静态注册有一些弊端，比如方法名太长，建立映射关系时会影响运行效率。为解决这些问题，JNI还提供了动态注册。
下面是一个典型的动态注册过程：

static const char* const kClass = "me/pqpo/NativeUtils";

static JNINativeMethod gMethods[] = {

        {
                "nativeInit",
                "()V",
                (void*)nativeInit
        },

};

static void nativeInit(JNIEnv *env, jclass type) {
}

extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){
    JNIEnv *env = NULL;
    if (vm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
        return JNI_FALSE;
    }
    jclass jclazz= env->FindClass(kClass);
    if(env -> RegisterNatives(jclazz, gMethods, sizeof(gMethods)/ sizeof(gMethods[0])) < 0) {
        return JNI_FALSE;
    }
    return JNI_VERSION_1_4;
}

当加载动态链接库之后，虚拟机会率先调用JNI_OnLoad方法，所以在这里可以做一下初始化工作，包括动态注册函数。
vm指向一个JavaVM结构体，并且是全局唯一的，代表着虚拟机的相关信息，通过它获取env，指向的是JNIEnv结构体，它非常重要，后面还会讲到，
然后获取需要注册类，类名中的点改成”/”

jclass jclazz= env->FindClass(kClassEvaluateUtil);

最后就可以注册该类的native函数了：

env -> RegisterNatives(jclazz, gMethods, sizeof(gMethods)/ sizeof(gMethods[0]))

回过头看gMethods,它是一个JNINativeMethod数组，里面包含了所有需要注册的函数

static JNINativeMethod gMethods[] = {

        {
                "nativeInit",
                "()V",
                (void*)nativeInit
        },

};

本例就注册了一个函数，第一个参数是Java层的函数名，第二个参数是方法签名信息，括号里面是参数，后面是返回值，第三个参数是c++函数指针。
这样就将Java层的函数与native函数关联起来了，其中第二个参数方法签名对应表如下：

比如有个Java函数声明为:

public void native String getString(int num, String content);

那么对应的JNINativeMethod结构体函数签名应该为：(ILjava/lang/String)Ljava/lang/String;

解决了函数注册的问题，那么Java与native又是如何进行数据交互的呢？

以上面getString函数为例，在native层的函数声明必须符合规定的参数：

static jstring getNativeString(JNIEnv *env, jobject instance, jint num, jstring content);

第一个参数是线程相关的JNIEnv结构体，我们需要通过它来进行数据类型转换，第二个参数是Java层调用的对象（this）,它是一个jobject对象，如果是静态方法，该参数会替换为jclass type，指的是调用的类
后面的参数和Java层一一对应，具体对应关系如下表：

我们拿到的是Java层的类型参数，怎么转换层C/C++可用的数据类型呢？
以上面函数的参数jstring content为例，可以通过下面方法获取native可用的字符串类型：

const char *contentStr = env->GetStringUTFChars(content, NULL);

之后别忘记释放：

env->ReleaseStringUTFChars(content, contentStr);

关于数据类型转换这里就不多说了，具体可以查看JNIEnv的api。
最后在说一下native层调用Java代码，获取及设置Java类参数，涉及到的概念包括MethodId，FieldId。
主要就是通过方法名，参数名获取id，然后通过这个id去操作相应的方法或参数。
id可以通过下面方法得到：

jfieldID Get[Static]FieldID(jclass clazz,const char*name, const char *sig);
jmethodID Get[Static]MethodID(jclass clazz, const char*name,const char *sig);

第三个参数为签名，和之前注册时填写的签名一致，不再累述。
JNIEnv提供了一系列CallMethod来调用Java方法,包括static方法：

NativeType Call[Staitc]Method(JNIEnv *env,jobject[jclass] obj,jmethodID methodID, ...)

对于参数，提供了get，set方法获取和设置Java对象的参数：

NativeType Get[Static]Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID)
void Set[Static]Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID,NativeType value)

JNIEvn结构体中还有包括将Java层数据转换成native层数组的方法，也是一系列方法，比如：

jbyte* GetByteArrayElements(jbyteArray array, jboolean* isCopy);

还有相应的释放方法：

void ReleaseByteArrayElements(jbyteArray array, jbyte* elems, jnit mode);

主要方法都在JNIEnv结构体中，读者可以自行查看。
下篇文章将以”使用OpenCV处理图像”做为一个例子来加深对JNI技术的理解。