Android JNI
知识简介
Java Native Interface (JNI)
标准是java
平台的一部分，它允许Java
代码和其他语言写的代码进行交互。JNI
是本地编程接口，它使得在 Java
虚拟机 (VM)
内部运行的 Java
代码能够与用其它编程语言(
如 C
、C++
和汇编语言)
编写的应用程序和库进行交互操作。
1.
从如何载入.so
档案谈起
由于Android
的应用层的类都是以Java
写的，这些Java
类编译为Dex
型式的Bytecode
之后，必须靠Dalvik
虚拟机(VM: Virtual Machine)
来执行。VM
在Android
平台里，扮演很重要的角色。
此外，在执行Java
类的过程中，如果Java
类需要与C
组件沟通时，VM
就会去载入C
组件，然后让Java
的函数顺利地调用到C
组件的函数。此时，VM
扮演着桥梁的角色，让Java
与C
组件能通过标准的JNI
介面而相互沟通。
应用层的Java
类是在虚拟机(VM: Vitual
Machine)
上执行的，而C
件不是在VM
上执行，那么Java
程式又如何要求VM
去载入(Load)
所指定的C
组件呢?
可使用下述指令：
System.loadLibrary(*.so
的档案名);
例如，Android
框架里所提供的MediaPlayer.java
类，含指令：
public class MediaPlayer{
static {
System.loadLibrary("media_jni");
}
}
这要求VM
去载入Android
的/system/lib/libmedia_jni.so
档案。载入*.so
之后，Java
类与*.so
档案就汇合起来，一起执行了。
2.
如何撰写*.so
的入口函数
---- JNI_OnLoad()
与JNI_OnUnload()
函数的用途
当Android
的VM(Virtual Machine)
执行到System.loadLibrary()
函数时，首先会去执行C
组件里的JNI_OnLoad()
函数。它的用途有二：
(1)
告诉VM
此C
组件使用那一个JNI
版本。如果你的*.so
档没有提供JNI_OnLoad()
函数，VM
会默认该*.so
档是使用最老的 JNI 1.1
版本。由于新版的JNI
做了许多扩充，如果需要使用JNI
的新版功能，例如JNI 1.4
的java.nio.ByteBuffer,
就必须藉由JNI_OnLoad()
函数来告知VM
。
(2)
由于VM
执行到System.loadLibrary()
函数时，就会立即先呼叫JNI_OnLoad()
，所以C
组件的开发者可以藉由JNI_OnLoad()
来进行C
组件内的初期值之设定(Initialization)
。
例如，在Android
的/system/lib/libmedia_jni.so
档案里，就提供了JNI_OnLoad()
函数，其程式码片段为：
//#define LOG_NDEBUG 0
#define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env,
JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
goto bail;
}
assert(env != NULL);
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0)
{
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration
failed\n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaRecorder(env) <
0) {
LOGE("ERROR: MediaRecorder native registration
failed\n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0)
{
LOGE("ERROR: MediaScanner native registration
failed\n");
goto bail;
}
if
(register_android_media_MediaMetadataRetriever(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaMetadataRetriever native
registration failed\n");
goto bail;
}
/* success -- return valid version number */
result = JNI_VERSION_1_4;
bail:
return result;
}
此函数回传JNI_VERSION_1_4
值给VM
，于是VM
知道了其所使用的JNI
版本了。此外，它也做了一些初期的动作(
可呼叫任何本地函数)
，例如指令：
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0)
{
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration
failed\n");
goto bail;
}
就将此组件提供的各个本地函数(Native Function)
登记到VM
里，以便能加快后续呼叫本地函数的效率。
JNI_OnUnload()
函数与JNI_OnLoad()
相对应的。在载入C
组件时会立即呼叫JNI_OnLoad()
来进行组件内的初期动作；而当VM
释放该C
组件时，则会呼叫JNI_OnUnload()
函数来进行善后清除动作。当VM
呼叫JNI_OnLoad()
或
JNI_Unload()
函数时，都会将VM
的指针(Pointer)
传递给它们，其参数如下：
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) { }
jint JNI_OnUnload(JavaVM* vm, void* reserved){ }
在JNI_OnLoad()
函数里，就透过VM
之指标而取得JNIEnv
之指标值，并存入env
指标变数里，如下述指令：
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env,
JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
goto bail;
}
}
由于VM
通常是多执行绪(Multi-threading)
的执行环境。每一个执行绪在呼叫JNI_OnLoad()
时，所传递进来的JNIEnv
指标值都是不同的。为了配合这种多执行绪的环境，C
组件开发者在撰写本地函数时，可藉由JNIEnv
指标值之不同而避免执行绪的资料冲突问题，才能确保所写的本地函数能安全地在Android
的多执行绪VM
里安全地执行。基于这个理由，当在呼叫C
组件的函数时，都会将JNIEnv
指标值传递给它，如下：
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
JNIEnv* env = NULL;
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0)
{
}
}
这JNI_OnLoad()
呼叫register_android_media_MediaPlayer(env)
函数时，就将env
指标值传递过去。如此，在register_android_media_MediaPlayer()
函数就能藉由该指标值而区别不同的执行绪，以便化解资料冲突的问题。
例如，在register_android_media_MediaPlayer()
函数里，可撰写下述指令：
if ((*env)->MonitorEnter(env, obj) != JNI_OK) {
}
查看是否已经有其他执行绪进入此物件，如果没有，此执行绪就进入该物件里执行了。还有，也可撰写下述指令：
if ((*env)->MonitorExit(env, obj) != JNI_OK) {
}
查看是否此执行绪正在此物件内执行，如果是，此执行绪就会立即离开。
3.registerNativeMethods()
函数的用途
应用层级的Java
类别透过VM
而呼叫到本地函数。一般是仰赖VM
去寻找*.so
里的本地函数。如果需要连续呼叫很多次，每次都需要寻找一遍，会多花许多时间。此时，组件开发者可以自行将本地函数向VM
进行登记。例如，在Android
的/system/lib/libmedia_jni.so
档案里的代码段如下：
//#define LOG_NDEBUG 0
#define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"
static JNINativeMethod gMethods[] = {
{"setDataSource", "(Ljava/lang/String;)V",
(void *)android_media_MediaPlayer_setDataSource},
{"setDataSource",
"(Ljava/io/FileDescriptor;JJ)V",
(void *)android_media_MediaPlayer_setDataSourceFD},
{"prepare", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_prepare},
{"prepareAsync", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_prepareAsync},
{"_start", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_start},
{"_stop", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_stop},
{"getVideoWidth", "()I", (void
*)android_media_MediaPlayer_getVideoWidth},
{"getVideoHeight", "()I", (void
*)android_media_MediaPlayer_getVideoHeight},
{"seekTo", "(I)V", (void
*)android_media_MediaPlayer_seekTo},
{"_pause", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_pause},
{"isPlaying", "()Z", (void
*)android_media_MediaPlayer_isPlaying},
{"getCurrentPosition", "()I",
(void *)android_media_MediaPlayer_getCurrentPosition},
{"getDuration", "()I", (void
*)android_media_MediaPlayer_getDuration},
{"_release", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_release},
{"_reset", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_reset},
{"setAudioStreamType","(I)V",
(void *)android_media_MediaPlayer_setAudioStreamType},
{"setLooping", "(Z)V", (void
*)android_media_MediaPlayer_setLooping},
{"setVolume", "(FF)V", (void
*)android_media_MediaPlayer_setVolume},
{"getFrameAt",
"(I)Landroid/graphics/Bitmap;",
(void *)android_media_MediaPlayer_getFrameAt},
{"native_setup", "(Ljava/lang/Object;)V",
(void *)android_media_MediaPlayer_native_setup},
{"native_finalize", "()V", (void
*)android_media_MediaPlayer_native_finalize},
};
static int register_android_media_MediaPlayer(JNIEnv
*env){
return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
"android/media/MediaPlayer", gMethods,
NELEM(gMethods));
}
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0)
{
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration
failed\n");
goto bail;
}
}
当VM
载入libmedia_jni.so
档案时，就呼叫JNI_OnLoad()
函数。接着，JNI_OnLoad()
呼叫 register_android_media_MediaPlayer()
函数。此时，就呼叫到 AndroidRuntime::registerNativeMethods()
函数，向VM(
即AndroidRuntime)
登记 gMethods[]
表格所含的本地函数了。简而言之，registerNativeMethods()
函数的用途有二：
(1)
更有效率去找到函数。
(2)
可在执行期间进行抽换。由于gMethods[]
是一个<
名称，函数指针>
对照表，在程序执行时，可多次呼叫registerNativeMethods()
函数来更换本地函数之指针，而达到弹性抽换本地函数之目的。
4.Andoird
中使用了一种不同传统Java JNI
的方式来定义其native
的函数。其中很重要的区别是Andorid
使用了一种Java
和 C
函数的映射表数组，并在其中描述了函数的参数和返回值。这个数组的类型是JNINativeMethod
，定义如下：
typedef struct {
const char* name; /*Java
中函数的名字*/
const char* signature; /*
描述了函数的参数和返回值*/
void* fnPtr; /*
函数指针，指向C
函数*/
} JNINativeMethod;
其中比较难以理解的是第二个参数，例如
"()V"
"(II)V"
"(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V"
实际上这些字符是与函数的参数类型一一对应的。
"()"
中的字符表示参数，后面的则代表返回值。例如"()V"
就表示void Func();
"(II)V"
表示 void
Func(int, int);
具体的每一个字符的对应关系如下
字符 Java
类型 C
类型
V void void
Z jboolean boolean
I jint int
J jlong long
D jdouble double
F jfloat float
B jbyte byte
C jchar char
S jshort short
数组则以"["
开始，用两个字符表示
[I jintArray int[]
[F jfloatArray float[]
[B jbyteArray byte[]
[C jcharArray char[]
[S jshortArray short[]
[D jdoubleArray double[]
[J jlongArray long[]
[Z jbooleanArray boolean[]
上面的都是基本类型。如果Java
函数的参数是class
，则以"L"
开头，以";"
结尾，中间是用"/"
隔开的包及类名。而其对应的C
函数名的参数则为jobject.
一个例外是String
类，其对应的类为jstring
Ljava/lang/String; String jstring
Ljava/net/Socket; Socket jobject
如果JAVA
函数位于一个嵌入类，则用$
作为类名间的分隔符。
例如
"(Ljava/lang/String;Landroid/os/FileUtils$FileStatus;)Z"
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