JNI介绍 - 沙翁 - 博客园

2019-04-21 15:41来源:未知
JNI是在学习Android HAL时必须要面临一个知识点,如果你不了解它的机制,不了解它的使用方式,你会被本地代码绕的晕头转向,JNI作为一个中间语言的翻译官在运行Java代码的Android中有着

  JNI是在学习Android HAL时必须要面临一个知识点,如果你不了解它的机制,不了解它的使用方式,你会被本地代码绕的晕头转向,JNI作为一个中间语言的翻译官在运行Java代码的Android中有着重要的意义,这儿的内容比较多,也是最基本的,如果想彻底了解JNI的机制,请查看:

  本文结合了网友ljeagle写的JNI学习笔记和自己通过JNI的手册及Android中常用的部分写得本文。

  JNI是本地语言编程接口。它允许运行在JVM中的Java代码和用C、C++或汇编写的本地代码相互操作。

  l 你已经有一个其它语言写的一个库,并且这个库需要通过JNI来访问Java代码

  JVM将JNI接口指针传递给本地方法,本地方法只能在当前线程中访问该接口指针,不能将接口指针传递给其它线程使用。在VM中 JNI接口指针指向的区域用来分配和存储线程本地数据。

  当Java代码调用本地方法时,VM将JNI接口指针作为参数传递给本地方法,当同一个Java线程调用本地方法时VM保证传递给本地方法的参数是相同的。不过,不同的Java线程调用本地方法时,本地方法接收到的JNI接口指针是不同的。

  在Java里通过System.loadLibrary()来加载动态库,但是,动态库只能被加载一次,因此,通常动态库的加载放在静态初始化语句块中。

  通常在动态库中声明大量的函数,这些函数被Java调用,这些本地函数由VM维护在一张函数指针数组中,在本地方法里通过调用JNI方法RegisterNatives()来注册本地方法和Java方法的映射关系。

  两段本地代码第一个参数都是JNIEnv*env,它代表了VM里的环境,本地代码可以通过这个env指针对Java代码进行操作,例如:创建Java类对象,调用Java对象方法,获取Java对象属性等。jobject obj相当于Java中的Object类型,它代表调用这个本地方法的对象,例如:如果有new NativeTest.CallNative(),CallNative()是本地方法,本地方法第二个参数是jobject表示的是NativeTest类的对象的本地引用。

  用Java代码调用C\C++代码时候,肯定会有参数数据的传递。两者属于不同的编程语言,在数据类型上有很多差别,应该要知道他们彼此之间的对应类型。例如,尽管C拥有int和long的数据类型,但是他们的实现却是取决于具体的平台。在一些平台上,int类型是16位的,而在另外一些平台上市32位的整数。基于这个原因,Java本地接口定义了jint,jlong等等。

  由Java类型和C/C++数据类型的对应关系,可以看到,这些新定义的类型名称和Java类型名称具有一致性,只是在前面加了个j,如int对应jint,long对应jlong。

  由jni头文件可以看出,jint对应的是C/C++中的long类型,即32位整数,而不是C/C++中的int类型(C/C++中的int类型长度依赖于平台),它和Java 中int类型一样。

  所以如果要在本地方法中要定义一个jint类型的数据,规范的写法应该是 jint i=123L;

  实际上,所有带j的类型,都是代表Java中的类型,并且jni中的类型接口与本地代码在类型大小是完全匹配的,而在语言层次却不一定相同。在本地方法中与JNI接口调用时,要在内部都要转换,我们在使用的时候也需要小心。

  所有的_j开头的类,都是继承于_jobject,这也是Java语言的特别,所有的类都是Object的子类,这些类就是和Java中的类一一对应,只不过名字稍有不同而已。

  在Java中,Class类型代表一个Java类编译的字节码,即:这个Java类,里面包含了这个类的所有信息。在JNI中,同样定义了这样一个类:jclass。了解反射的人都知道Class类是如何重要,可以通过反射获得java类的信息和访问里面的方法和成员变量。

  FindClass会在系统classpath环境变量下寻找name类,注意包的间隔使用 “/ “,而不是”.“,如:

  在JNI调用中,不仅仅Java可以调用本地方法,本地代码也可以调用Java中的方法和成员变量。在Java1.0中“原始的”Java到C的绑定中,程序员可以直接访问对象数据域。然而,直接方法要求虚拟机暴露他们的内部数据布局,基于这个原因,JNI要求程序员通过特殊的JNI函数来获取和设置数据以及调用java方法。

  为了在C/C++中表示属性和方法,JNI在jni.h头文件中定义了jfieldID和jmethodID类型来分别代表Java对象的属性和方法。我们在访问或是设置Java属性的时候,首先就要先在本地代码取得代表该Java属性的jfieldID,然后才能在本地代码进行Java属性操作。同样的,我们需要调用Java对象方法时,也是需要取得代表该方法的jmethodID才能进行Java方法调用。

  可以看到这四个方法的参数列表都是一模一样的,下面来分析下每个参数的含义:

  上一节讲到的jclass类型,相当于Java中的Class类,代表一个Java类,而这里面的代表的就是我们操作的Class类,我们要从这个类里面取的属性和方法的ID。

  //首先取得要调用的方法所在的类的Class对象,在C/C++中即jclass对象

  上述代码中的id_show取得的jmethodID到底是哪个show方法呢?由于Java语言有方法重载的面向对象特性,所以只通过函数名不能明确的让JNI找到Java里对应的方法。所以这就是第三个参数sig的作用,它用于指定要取得的属性或方法的类型签名。

  在Java里数组类型也是引用类型,数组以[ 开头,后面跟数组元素类型的签名,例如:int[] 签名就是[I,对于二维数组,如int[][] 签名就是[[I,object数组签名就是[Ljava/lang/Object;

  (参数1类型签名参数2类型签名参数3类型签名.......)返回值类型签名

  取得了代表属性和静态属性的jfieldID,就可以使用JNIEnv中提供的方法来获取和设置属性/静态属性。

  Get方法的第一个参数代表要获取的属性所属对象或jclass对象,第二个参数即属性ID。

  Set方法的第一个参数代表要设置的属性所属的对象或jclass对象,第二个参数即属性ID,第三个参数代表要设置的值。

  取得了代表方法和静态方法的jmethodID,就可以用在JNIEnv中提供的方法来调用方法和静态方法。

  这种调用方式其第三个参数是一个jvalue的指针。jvalue类型是在 jni.h头文件中定义的联合体union,看它的定义:

  第二个参数jmethodID methodID 代表你要使用哪个构造方法ID来创建这个对象。

  只要有jclass和jmethodID ,我们就可以在本地方法创建这个Java类的对象。

  指的一提的是:由于Java的构造方法的特点,方法名与类名一样,并且没有返回值,所以对于获得构造方法的ID的方法env-GetMethodID(clazz,method_name ,sig)中的第二个参数是固定为类名,第三个参数和要调用的构造方法有关,默认的Java构造方法没有返回值,没有参数。例如:

  在Java中,字符串String对象是Unicoode(UTF-16)编码,每个字符不论是中文还是英文还是符号,一个字符总是占用两个字节。在C/C++中一个字符是一个字节, C/C++中的宽字符是两个字节的。所以Java通过JNI接口可以将Java的字符串转换到C/C++的宽字符串(wchar_t*),或是传回一个UTF-8的字符串(char*)到C/C++,反过来,C/C++可以通过一个宽字符串,或是一个UTF-8编码的字符串创建一个Java端的String对象。

  在Java端有一个字符串 String str=abcde;,在本地方法中取得它并且输出:

  由上面的代码可知,从java端取得的String属性或者是方法返回值的String对象,对应在JNI中都是jstring类型,它并不是C/C++中的字符串。所以,我们需要对取得的 jstring类型的字符串进行一系列的转换,才能使用。

  将一个jstring对象,转换为(UTF-16)编码的宽字符串(jchar*)。

  将一个jstring对象,转换为(UTF-8)编码的字符串(char*)。

  这两个函数的参数中,第一个参数传入一个指向Java 中String对象的jstring引用。第二个参数传入的是一个jboolean的指针,其值可以为NULL、JNI_TRUE、JNI_FLASE。

  如果为JNI_TRUE则表示开辟内存,然后把Java中的String拷贝到这个内存中,然后返回指向这个内存地址的指针。

  如果为JNI_FALSE,则直接返回指向Java中String的内存指针。这时不要改变这个内存中的内容,这将破坏String在Java中始终是常量的规则。

  使用这两个函数取得的字符,在不适用的时候,要分别对应的使用下面两个函数来释放内存。

  上面是JNIEnv提供给本地代码调用的数组操作函数,大致可以分为下面几类:

  这类函数可以把Java基本类型的数组转换到C/C++中的数组。有两种处理方式,一是拷贝一份传回本地代码,另一种是把指向Java数组的指针直接传回到本地代码,处理完本地化的数组后,通过RealeaseTypeArrayElements来释放数组。处理方式由Get方法的第二个参数isCopied来决定。

  Java代码与本地代码里在进行参数传递与返回值复制的时候,要注意数据类型的匹配。对于int, char等基本类型直接进行拷贝即可,对于Java中的对象类型,通过传递引用实现。VM保证所有的Java对象正确的传递给了本地代码,并且维持这些引用,因此这些对象不会被Java的gc(垃圾收集器)回收。因此,本地代码必须有一种方式来通知VM本地代码不再使用这些Java对象,让gc来回收这些对象。

  l 局部引用:只在上层Java调用本地代码的函数内有效,当本地方法返回时,局部引用自动回收。

  l 全局引用:只有显示通知VM时,全局引用才会被回收,否则一直有效,Java的gc不会释放该引用的对象。

  默认的话,传递给本地代码的引用是局部引用。所有的JNI函数的返回值都是局部引用。

  虽然局部引用会在本地代码执行之后自动释放,但是有下列情况时,要手动释放:

  l 本地代码访问一个很大的Java对象时,在使用完该对象后,本地代码要去执行比较复杂耗时的运算时,由于本地代码还没有返回,Java收集器无法释放该本地引用的对象,这时,应该手动释放掉该引用对象。

  这个情形的实质,就是允许程序在native方法执行期间,java的垃圾回收机制有机会回收native代码不在访问的对象。

  l 本地代码创建了大量局部引用,这可能会导致JNI局部引用表溢出,此时有必要及时地删除那些不再被使用的局部引用。比如:在本地代码里创建一个很大的对象数组。

  在上述循环中,每次都有可能创建一个巨大的字符串数组。在每个迭代之后,native代码需要显示地释放指向字符串元素的局部引用。

  l 创建的工具函数,它会被未知的代码调用,在工具函数里使用完的引用要及时释放。

  l 不返回的本地函数。例如,一个可能进入无限事件分发的循环中的方法。此时在循环中释放局部引用,是至关重要的,这样才能不会无限期地累积,进而导致内存泄露。

  局部引用只在创建它们的线程里有效,本地代码不能将局部引用在多线程间传递。一个线程想要调用另一个线程创建的局部引用是不被允许的。将一个局部引用保存到全局变量中,然后在其它线程中使用它,这是一种错误的编程。

  在一个本地方法被多次调用时,可以使用一个全局引用跨越它们。一个全局引用可以跨越多个线程,并且在被程序员手动释放之前,一直有效。和局部引用一样,全局引用保证了所引用的对象不会被垃圾回收。

  JNI允许程序员通过局部引用来创建全局引用, 全局引用只能由NewGlobalRef函数创建。下面是一个使用全局引用例子:

  在native代码不再需要访问一个全局引用的时候,应该调用DeleteGlobalRef来释放它。如果调用这个函数失败,Java VM将不会回收对应的对象。

  通常在JVM里创建Java的对象就是创建Java类的实例,再调用Java类的构造方法。而有时Java的对象需要在本地代码里创建。以Android中的Bitmap的构建为例,Bitmap中并没有Java对象创建的代码及外部能访问的构造方法,所以它的实例化是在JNI的c中实现的。

  C代码中某次被调用时生成的对象,在其他函数调用时是不可见的,虽然可以设置全局变量但那不是好的解决方式,Android中通常是在Java域中定义一个int型的变量,在本地代码生成对象的地方,与这个Java域的变量关联,在别的使用到的地方,再从这个变量中取值。

  在注册native函数之前,C中就已经把Java域中的属性的jfieldID得到了。通过下列方法:

  4) 另外的调用过程中,通过JNIEnv::GetIntField()获取Java对象的属性,再转化为真实的对象类型。

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