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5 years ago
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深入理解 JNI
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#### 目录
1. 思维导图
2. 前言
3. 实例分析之 MediaScanner
4. Java 层的 MediaScanner
5. JNI 层 MediaScanner
- JNI 函数注册
- 垃圾回收
- JNI 中的异常处理
#### 思维导图
![](https://i.loli.net/2019/05/23/5ce61fe19639165339.png)
5 years ago
#### 前言
JNI 是 Java Native Interface 的缩写,中文译为 " Java 本地调用 "。通俗的说,JNI 是一种技术,通过这种技术可以做到 Java 中的函数和 C/C++ 编写的 Native 函数相互调用。
Android 中大量使用了 JNI 技术,本节就以 MediaScanner 来讲解 JNI。
#### 实例分析之 MediaScanner
MediaScanner 是 Android 平台中多媒体系统的重要组成部分,它的功能是扫描媒体文件,得到诸如歌曲时长,歌曲信息等媒体信息,并将它们存入到媒体数据库中,以供其他应用程序使用。
![](https://i.loli.net/2019/05/15/5cdbab5edbb0391147.png)
Java 世界对应的是 MediaScanner,而这个 MediaScanner 类有一些函数需要由 Native 层来实现。JNI 层对应的是 libmedia_jni.so。media_jni 是 JNI 库的名字,其中下划线前的 media 是 Native 库层的名字,这里就是 libmedia 库。下划线后的 ini 表示它是一个 JNI 库。JNI 库的名字可以随便取,但是 Android 平台基本上都是采用 “ lib模块名_jni.so “ 的命名方式。
从上面的分析可知:JNI 层必须实现为动态库的形式,这样 Java 虚拟机才能加载它并调用它的函数。
#### Java 层的 MediaScanner
```java
public class MediaScanner implements AutoCloseable {
//1. 加载对应的 JNI 库
static {
System.loadLibrary("media_jni");
native_init();
}
//...
//2. 声明 Native 函数,用 native 关键字标示,表示它将由 JNI 层完成
private native boolean processFile(String path, String mimeType, MediaScannerClient client);
private static native final void native_init();
}
```
如果 Java 要调用 native 函数,就必须通过一个位于 JNI 层的动态库来实现。动态库就是运行时加载的库,那么在什么时候以及什么地方加载这个库呢?
原则是是,在调用 native 函数前,任何时候、任何地方加载都可以。通常的做法是在类的 static 语句中加载,调用 System.loadLibrary 方法就可以了。其函数的参数是动态库的名字,即 media_jni。系统会自动根据不同的平台扩展成真实的动态库文件名,例如在 Linux 系统上会扩展成 libmedia_jni.so,而在 Windows 平台上则会扩展成 media_jni.dll。
在 Java 层使用 JNI 技术真是太容易了,只需要完成两项工作即可:
1. 加载对应的 JNI 库
2. 声明由关键字 native 修饰的函数
但是在 JNI 层,要完成的任务可没那么轻松了。
#### JNI 层 MediaScanner
5 years ago
看下 android.media.MediaScanner.cpp 源码:
```c++
//这个函数是 native_init 的 JNI 层实现
5 years ago
static void
android_media_MediaScanner_native_init(JNIEnv *env)
{
//...
5 years ago
}
//这个函数是 processFile 的 JNI 层实现
5 years ago
static jboolean
android_media_MediaScanner_processFile(
JNIEnv *env, jobject thiz, jstring path,
jstring mimeType, jobject client)
{
//...
}
```
5 years ago
Java 层,native_init 函数位于 android.media 包中,它的全路径名应该是 android.media.MediaScanner.native_init,而 JNI 层函数的名字就是把 "." 替换成了 "_",通过这样,就可以把 Java 中的 Native 函数和 JNI 层的函数关联起来了。
5 years ago
##### JNI 函数注册
其实上面说的就是 JNI 函数的注册问题。注册,即将 Java 层的 native 函数和 JNI 层对应的实现函数关联起来。JNI 函数的注册方法实际上有以下两种:
5 years ago
1. 静态注册
5 years ago
以这种注册方式就是根据函数名来找对应的 JNI 函数,它需要 Java 的工具程序 javah 参与。javah 会根据 class 文件生成一个叫 output.h 的 JNI 层头文件,在生成的 output.h 文件里,声明了对应的 JNI 层函数,只要实现里面的函数即可。
5 years ago
这个头文件的名字一般都会使用 packagename_class.h 的样式,例如 MediaScanner 对应的 JNI 层头文件就是 android_media_MediaScanner.h。
当 Java 层调用 native_init 函数时,它会从对应的 JNI 库中寻找 Java_android_media_MediaScanner_native_init 函数,如果没有,就会报错。如果找到,则会把这个 native_init 和 Java_android_media_MediaScanner_native_init 建立一个关联关系,其实就是保存 JNI 层函数的函数指针。以后在调用 native_init 函数时,直接使用这个函数指针就可以了,当然这项工作是由虚拟机完成的。
这样做会很麻烦,初次调用 native 函数时还要根据函数名搜索对应的 JNI 层函数来建立关联关系,这样会影响运行效率。根据上面介绍可知,Java native 函数是通过函数指针来和 JNI 层函数建立关联关系的,如果直接让 native 函数知道 JNI 层对应函数的函数指针,不就万事大吉啦吗?这就要介绍动态注册了。
2. 动态注册
Java native 函数和 JNI 函数是一一对应的,在 JNI 中,用一个叫 JNINativeMethod 的结构来保存这种关联关系。定义如下:
```c
typedef struct {
//Java 中 native 函数的名字,不用携带包的路径,例如 "native_init"
const char* name;
//Java 函数的签名信息,用字符串表示,是参数类型和返回值类型的组合
//因为 Java 支持函数重载,所以通过 name 和 signature 可确定唯一
const char* signature;
//JNI 层对应函数的函数指针,注意它是 void* 类型
void* fnPtr;
}JNINativeMethod;
```
然后看下 MediaScanner JNI 层是如何做的?
```c
static const JNINativeMethod gMethods[] = {
{
"processFile",
"(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)Z",
(void *)android_media_MediaScanner_processFile
},
//...
{
"native_init",
"()V",
(void *)android_media_MediaScanner_native_init
}
};
//注册 JNINativeMethod 数组
// This function only registers the native methods, and is called from
// JNI_OnLoad in android_media_MediaPlayer.cpp
int register_android_media_MediaScanner(JNIEnv *env)
{
return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
kClassMediaScanner, gMethods, NELEM(gMethods));
}
```
AndroidRunTime 类提供了一个 registerNativeMethods 函数来完成注册工作,其实现为:
```c
//AndroidRunTime.cpp
/*static*/ int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv* env,
const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}
```
其中 jniRegisterNativeMethods 是 Android 平台中为了方便 JNI 使用而提供的一个帮助函数,代码为:
```c
//JNIHelp.c
MODULE_API int jniRegisterNativeMethods(C_JNIEnv* env, const char* className,
const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
JNIEnv* e = reinterpret_cast<JNIEnv*>(env);
//因为 JNINativeMethod 使用的函数名并非路径名,所以要先指明是哪个类
scoped_local_ref<jclass> c(env, findClass(env, className));
//实际上调用 JNIEnv 的 RegisterNatives 函数完成注册
int result = e->RegisterNatives(c.get(), gMethods, numMethods);
return 0;
}
```
以上,在自己的 JNI 层代码中使用这种方法,就可以完成动态注册了。那么这些动态注册的函数在什么时候在上面地方被调用的呢?
当 Java 层通过 System.loadLibrary 加载完 JNI 动态库后,紧接着会查找该库中一个叫 JNI_OnLoad 的函数。如果有,就调用它,而动态注册的工作就是在这里完成的。
所以,如果想使用动态注册方法,就必须实现 JNI_OnLoad 函数,只有在这个函数中才有机会完成动态注册的工作。
```c
//android_media_MediaPlayer.cpp
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* /* reserved */)
{
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
goto bail;
}
assert(env != NULL);
//动态注册 MediaScanner 的 JNI 函数
if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0) {
goto bail;
}
//...
/* success -- return valid version number */
result = JNI_VERSION_1_4;
bail:
return result;
}
```
##### 垃圾回收
Java 中创建的对象最后是由垃圾回收器来回收和释放内存的,如果 Java 层的对象被回收了,那么肯定会影响 JNI 层。JNI 技术一共提供了三种类型的引用,它们分别是:
- Local Reference 本地引用
在 JNI 层函数中使用的非全局引用对象都是 Local Reference,它包括函数调用时传入的 jobject 和在 JNI 层函数中创建的 jobject。Local Reference 最大的特点就是,一旦 JNI 层函数返回,这些 jobject 就可能被垃圾回收。
- Glabal Reference 全局引用
这种对象如不主动释放,它永远不会被垃圾回收。
- Weak Global Reference 弱全局引用
一种特殊的 Global Reference,在运行过程中可能会被垃圾回收。所以使用它之前,需要调用 JNIEnv 的 isSameObject 判断它是否被回收了。
所以每当 JNI 层想要保存 Java 层中的某个对象时,就可以使用 Global Reference,使用完后记住释放它就可以了。
##### JNI 中的异常处理
JNI 中也有异常,不过它和 C++、Java 的异常不太一样。如果调用 JNIEnv 的某些函数出错了,则会产生一个异常,但这个异常不会中断本地函数的执行,直到从 JNI 层返回到 Java 层后,虚拟机才会抛出这个异常。虽然在 JNI 层中产生的异常不会中断本地函数的运行,但一旦产生异常后,就只能做一些资源清理工作了(例如释放全局引用,或者 ReleaseStringChars)。如果这时调用除上面所说函数之外的其他 JNIEnv 函数,则会导致程序死掉。
JNI 层函数可以在代码中截获和修改这些异常,JNIEnv 提供了三个函数给予帮助:
5 years ago
1. ExceptionOccured 函数,用来判断是否发生异常
2. ExceptionClear 函数,用来清理当前 JNI 层中发生的异常
3. ThrowNew 函数,用来向 Java 层抛出异常