简介：本文全面剖析了在Android平台上如何使用C++调用Java函数，重点介绍了JNI技术的细节和应用。从设置项目环境到JNI接口的创建，再到本地库的构建和性能优化，每一步都提供了详实的指导。同时，对于复杂操作的注意事项、错误处理、调试方法以及最佳实践也进行了介绍。掌握这些关键知识点，可以帮助开发者在保持Java代码可读性和可维护性的同时，利用C++提升Android应用的性能。
1. 跨平台开发与JNI技术
在当今这个技术迅速发展的时代，开发者面临着一个共通的挑战：如何在不同的平台间保持一致的用户体验，同时最大化代码复用。这时，跨平台开发应运而生，它让开发者能用一套代码库构建多个平台的应用程序。然而，跨平台开发往往需要借助一些特殊的工具和接口，而Java Native Interface（JNI）技术就是其中的核心之一。JNI是Java平台提供的一个标准编程接口，它允许Java代码和其他语言编写的代码进行交互，特别是在与C和C++这类需要直接硬件访问或性能敏感的语言交互时表现得尤为出色。
在本章中，我们将从概念上了解JNI技术，并探讨如何通过Java本地方法来实现跨语言的通信。我们会从JNI技术的基本原理开始，逐步深入到它的高级应用，从而让读者们能够对这一技术有一个全面的认识，并为后续章节的内容打下坚实的基础。在下一章，我们将详细地讨论JNI技术的发展历程及其在跨平台开发中的关键作用。
2. JNI基本概念与Java本地方法
2.1 JNI技术概述
2.1.1 JNI的发展历程
Java Native Interface（JNI）是Java语言提供的一种编程接口，允许Java代码和其他语言编写的应用程序或库进行交互。它的出现是为了解决Java运行时环境的限制，使得Java程序能够访问本地应用程序接口（API）和本地库。
JNI技术自Java 1.1版本引入，当时主要是为了支持Java Applet与本地代码的交互，以弥补Java早期版本在性能上的不足。随着时间的发展，JNI逐渐成为了连接Java世界与本地代码的重要桥梁，特别是在Android开发中，JNI用于让Java代码调用C或C++编写的库，从而实现系统级操作、硬件交互等高级功能。
在应用层面，JNI不仅被广泛用于Android平台，还被应用到桌面应用、服务器端、甚至是嵌入式系统中。它为Java开发者提供了一种途径，能够将已有的本地库集成到Java应用程序中，从而保护了投资并扩展了Java的应用范围。
2.1.2 JNI在跨平台开发中的作用
在跨平台开发中，JNI起到桥梁和纽带的作用，它允许开发者编写一次Java代码，然后通过JNI调用不同平台特定的本地代码来实现平台相关功能。比如，在Android开发中，开发者可以利用Java编写大部分应用逻辑，然后通过JNI调用C/C++编写的算法或者访问Android系统的底层服务。
这种方式有多个好处：首先，它允许开发者利用已有的本地代码库，这样不仅加快了开发进程，还减少了重写代码的工作量。其次，Java虚拟机（JVM）在不同的操作系统上有不同的实现，利用JNI，Java代码可以无差异地运行在不同平台的JVM之上，实现应用的跨平台部署。最后，对于性能要求极高的部分，开发者可以编写高效的本地代码（如使用C/C++），通过JNI提升这部分代码的执行效率。
2.2 Java本地方法的原理
2.2.1 本地方法的概念与实现
Java本地方法指的是在Java代码中声明的，并且使用native关键字修饰的方法。这些方法的实现是在Java代码之外完成的，通常是在C、C++或其他语言中编写的。本地方法提供了一种机制，使得Java代码能够调用执行那些没有Java实现的操作系统底层功能或者复杂算法。
本地方法的实现通常遵循以下步骤：
1. 在Java类中声明本地方法，并使用native关键字。
2. 使用JDK提供的javah工具，根据Java声明生成相应的C/C++头文件（.h文件）。
3. 在生成的头文件基础上，开发者编写具体的C/C++函数实现。
4. 编译这些C/C++代码生成动态链接库（如Linux上的.so文件，Windows上的.dll文件）。
5. 在Java代码中加载这个动态链接库。
6. 在Java代码中调用这个本地方法。
2.2.2 本地方法与Java方法的交互机制
本地方法与Java方法的交互主要通过JNI提供的接口和约定来实现。当Java代码调用一个本地方法时，实际上是在请求JNI进行方法调用转换，然后JNI再将这个请求转发给相应的本地代码。
在本地方法中，对Java对象、数组、基本数据类型的访问和操作需要遵循JNI的规范。JNI提供了丰富的API来支持这些操作。例如，可以通过JNI API来获取Java对象的字段值、调用Java方法、创建Java数组等。
此外，当本地方法执行完毕后，需要返回结果到Java调用层，这就涉及到本地方法和Java类型系统的映射机制。在调用过程中，所有的数据交换都需要遵循JNI的规则，以确保数据类型的一致性和内存的安全管理。
通过上述机制，本地方法可以与Java方法无缝交互，为Java应用程序提供了强大的扩展性和性能优化空间。
3. 项目环境设置与NDK配置
3.1 Android NDK的安装与配置
3.1.1 环境变量的设置
在进行Android NDK开发之前，合理配置环境变量是必不可少的一步。环境变量的设置将影响到NDK的使用方式和方便性。首先，需要确保已经安装了Android NDK，然后在系统的环境变量中添加NDK的路径。例如，在Unix系统中，可以在用户的 .bash_profile 或 .bashrc 文件中添加如下配置：
export ANDROID_NDK_HOME=/path/to/your/ndk
export PATH=$PATH:$ANDROID_NDK_HOME
这里 /path/to/your/ndk 是你的NDK安装目录。这样配置之后，就可以在终端中直接使用ndk-build命令等来构建项目。
3.1.2 NDK与IDE的集成
对于Android Studio用户来说，集成NDK到IDE中可以方便地进行代码编写和调试。具体步骤如下：
- 打开Android Studio，进入
File>Project Structure。 - 在
SDK Location中配置NDK和CMake的路径。 - 点击
OK，Android Studio将自动更新配置。
通过这种方式，Android Studio会将NDK集成到其构建系统中，使得在Java和C++代码之间进行切换和构建变得更加容易。
3.2 工程的创建与项目结构
3.2.1 基于Android Studio的项目创建
在Android Studio中创建一个包含NDK支持的项目非常简单。按照以下步骤进行：
- 打开Android Studio，点击
Start a new Android Studio project。 - 在
New Project界面中选择一个模板，通常选择Empty Activity。 - 在
Configure your project页面中勾选Include C++ support选项，这样就可以在项目中添加C++源文件和配置CMake。 - 选择需要的语言支持，主要是C++或Java/Kotlin，或者两者都选。
- 完成创建。
创建完成后，你将得到一个包含 app 模块和 CMakeLists.txt 文件的项目，该项目已经配置好了基本的NDK环境。
3.2.2 工程目录结构解析
一个典型的包含NDK的Android项目目录结构包括以下部分：
-
/app：包含应用的源代码和资源。 -
/app/src/main：存放主代码，包括java、cpp等目录。 -
/app/src/main/cpp：存放C++源代码文件。 -
/app/src/main/cpp/CMakeLists.txt：CMake构建脚本，用于定义构建过程。 -
/app/src/main/jni：存放头文件和实现Java本地接口的.cpp文件。 -
/app/src/main/jniLibs：存放编译后的.so库文件，按架构分类（如armeabi-v7a、arm64-v8a等）。
理解这个结构有助于开发者更好地管理和维护包含JNI的代码。
通过本章的介绍，我们已经学习了如何设置和配置Android NDK环境，了解了创建工程的基本步骤，以及如何处理工程的目录结构。下一章将围绕如何在Java与C++之间创建和管理JNI接口以及生成头文件展开深入讨论。
4. JNI接口创建与头文件生成
4.1 JNI接口的设计原则
4.1.1 接口命名规则
JNI接口设计是连接Java与本地语言（如C/C++）的桥梁。命名规则是至关重要的，因为它保证了从Java代码到本地代码映射的正确性。JNI接口名称遵循特定的命名约定，即使用”Java_”作为前缀，后跟完整的Java类名和方法名。例如，如果Java类名为 com.example.MyClass ，方法名为 myMethod ，则JNI接口名称应为 Java_com_example_MyClass_myMethod 。
命名规则的遵守不仅有助于确保方法的正确查找，还可以避免潜在的命名冲突。JNI提供了不同签名的方法，因此即使方法名称相同，也可以通过其签名来区分。这允许开发者为同一个Java方法实现多个本地版本，以支持不同类型的参数或返回值。
4.1.2 参数传递与返回值处理
在设计JNI接口时，必须明确每个方法的参数和返回值的类型。JNI提供了丰富的类型签名，允许Java中的各种类型在本地代码中得以表现。例如：
- 基本数据类型（如
int、long、double）有固定的签名（如I、J、D）。 - 对象类型（如
java.lang.String）的签名以L开始，以;结束，中间是类的全路径（如Ljava/lang/String;）。 - 数组类型的签名以
[开始，后跟元素的签名（如[I表示整型数组）。
返回值处理遵循同样的规则，Java方法的返回类型将直接映射到相应的JNI签名。例如，如果Java方法返回 int ，那么本地方法的返回类型应该是 jint 。如果返回类型是对象或数组，那么需要在本地方法中正确创建和返回相应的JNI对象。
4.2 头文件的自动生成与编辑
4.2.1 使用javah工具生成头文件
在编写JNI接口时，手动编写Java和C++之间的接口映射是可能的，但这是一个繁琐且容易出错的过程。因此，大多数开发者更倾向于使用 javah 工具来自动生成头文件。 javah 工具会根据Java类文件生成C或C++的头文件，其中包含了对应的本地方法声明。
使用 javah 的基本命令格式如下：
javah -d output_dir -classpath classpath -jni com.example.MyClass
这里的 -d 参数指定了生成头文件的输出目录， -classpath 指定了包含类文件的路径， -jni 参数指示 javah 生成适合JNI使用的头文件。
4.2.2 手动编写与修改头文件
尽管 javah 工具大大简化了接口映射的过程，但在某些情况下，手动编写和修改头文件可能是必要的。比如，当开发者需要添加额外的本地方法声明，或者修改自动生成的方法签名时，就必须手动编辑头文件。
手动编写头文件时，务必遵循JNI命名约定和类型签名规则。例如，考虑以下Java类和方法：
package com.example;
public class MyClass {
public native int myMethod(int input);
}
手动创建的头文件 myclass.h 可能看起来像这样：
#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#include <jni.h>
JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_example_MyClass_myMethod
(JNIEnv *, jobject, jint);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif // MYCLASS_H
在上面的示例中， JNIEXPORT 宏告诉编译器该函数是JNI函数， JNICALL 宏是与特定平台相关的调用约定。头文件包含了一些必要的预处理指令，确保代码在C++中正确使用。开发者应该保持一致的编码风格，确保代码的可读性和可维护性。
通过结合使用 javah 和手动编辑头文件的方式，开发者可以更灵活地控制JNI接口的实现，并确保接口的稳定性和安全性。无论哪种方法，都需确保头文件中的声明与实际实现相匹配，以保证程序的正常运行和高效的性能表现。
5. C++代码编写与实现
5.1 C++函数的编写技巧
5.1.1 类型签名的匹配与编写
在JNI中，C++函数需要与Java声明的方法签名相匹配。类型签名是JNI中用来描述Java类型到C++类型的映射的一种特殊格式。每种Java类型都有一个对应的类型签名，例如Java的 int 类型在JNI中的签名是 I ， boolean 类型是 Z ，而对象类型则是以 L 开头，以 ; 结尾的全路径名。
要编写与Java方法对应的C++函数，首先必须了解如何将Java方法的参数和返回类型转换为JNI类型签名。例如，Java中的 java.lang.String 在JNI中的签名是 Ljava/lang/String; ，而一个Java方法 public int example(int num, String str) 在JNI中的方法签名将是 (ILjava/lang/String;)I 。
接下来，我们需要在C++中实现该函数，并确保其签名符合JNI规范。假设我们有一个对应上述Java方法的JNI方法声明，其在C++中的实现可能如下所示：
// Java中声明的方法:
// public native int example(int num, String str);
// C++中对应的实现:
extern "C" JNIEXPORT jint JNICALL
Java_PackageName_ClassName_example(JNIEnv *env, jobject obj, jint num, jstring str) {
// C++代码逻辑
// 注意：需要处理jstring类型参数，将其转换为C++中的std::string类型
}
在上面的代码示例中， Java_PackageName_ClassName_example 是自动生成的函数名，其中 PackageName_ClassName 应该替换为实际的Java类的包名和类名。该函数返回 jint 类型，因为Java方法的返回类型是 int 。
5.1.2 C++中的异常处理
在C++代码中处理Java异常是与Java方法交互的重要一环。当C++代码遇到错误或异常情况时，可以使用JNI提供的接口抛出Java异常。异常的处理分为两个部分：在C++中抛出异常和在Java中捕获处理。
在C++中抛出异常，可以使用 env->ThrowNew 方法，其中需要传入异常类对象和错误消息。比如，要抛出一个 NullPointerException ，可以这样做：
// C++代码中的异常抛出示例:
env->ThrowNew(env->FindClass("java/lang/NullPointerException"), "Null Pointer Exception occurred");
当C++代码抛出异常时，必须确保在发生异常后释放所有已分配的资源，以防止内存泄漏。如果异常处理是在某个函数或代码块中，应在 finally 块中清理资源，这通常是通过C++的析构函数实现的，或者使用 try-finally 结构确保清理。
5.2 实现Java与C++之间的数据交互
5.2.1 基本数据类型的转换
在JNI中，Java基本数据类型和C++基本数据类型是不同的，需要进行转换。JNI提供了一系列宏来帮助进行转换。例如， jint 可以与C++中的 int 直接对应使用，但其他类型如 jboolean 需要使用 JNI_TRUE 和 JNI_FALSE 来表示 true 和 false 。对于浮点数， jfloat 与 float 相对应， jdouble 与 double 相对应。
以下是几个基本数据类型转换的例子：
// Java boolean to C++ bool
bool result = (env->GetBooleanArrayRegion(boolArray, 0, 1, &jbooleanArray[0]) == JNI_OK) && jbooleanArray[0];
// Java byte to C++ char
signed char byte = env->GetByteArrayElements(byteArray, 0)[0];
// Java char to C++ jchar
jchar jcharVal = env->GetCharArrayElements(charArray, 0)[0];
// Java short to C++ short
short shortVal = env->GetShortArrayRegion(shortArray, 0, 1, &shortArrayVal)[0];
// Java int to C++ int
int intVal = env->GetIntArrayRegion(intArray, 0, 1, &intArrayVal)[0];
// Java long to C++ long long
long long longVal = env->GetLongArrayRegion(longArray, 0, 1, &longArrayVal)[0];
// Java float to C++ float
float floatVal = env->GetFloatArrayRegion(floatArray, 0, 1, &floatArrayVal)[0];
// Java double to C++ double
double doubleVal = env->GetDoubleArrayRegion(doubleArray, 0, 1, &doubleArrayVal)[0];
在上面的代码中， GetBooleanArrayRegion 、 GetByteArrayElements 、 GetCharArrayElements 等JNI函数用于从Java数组中获取元素，并将其存储在C++的本地变量中。
5.2.2 对象与数组的引用与传递
在JNI中，对象和数组的引用传递涉及将Java对象和数组转换为对应的本地引用或全局引用。本地引用在当前JNI环境的生命周期内有效，而全局引用则可以跨环境使用。
对象可以通过 FindClass 和 NewObject 等JNI函数创建，并通过 GetObjectClass 等函数来获取对象的类信息。数组则可以使用 NewIntArray 、 NewFloatArray 等JNI函数创建，通过 GetArrayLength 获取长度，通过 GetIntArrayRegion 等函数访问数组元素。
举个例子，Java中声明了一个字符串数组，我们想在C++中获取并使用这个数组：
// Java中声明的方法:
// public native void processArray(String[] array);
// C++中对应的实现:
extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_PackageName_ClassName_processArray(JNIEnv *env, jobject obj, jobjectArray jArray) {
// 获取数组长度
jsize arrayLength = env->GetArrayLength(jArray);
// 创建一个C++字符串向量，用于存储转换后的字符串
std::vector<std::string> cppStrings;
// 遍历Java数组，并转换为C++字符串
for(jsize i = 0; i < arrayLength; ++i) {
jstring jstr = (jstring) env->GetObjectArrayElement(jArray, i);
const char* nativeString = env->GetStringUTFChars(jstr, nullptr);
cppStrings.push_back(std::string(nativeString));
env->ReleaseStringUTFChars(jstr, nativeString);
}
// 在这里可以进行进一步的处理，例如使用cppStrings中的字符串
}
在上述代码中，我们使用 GetObjectArrayElement 获取Java字符串数组中的对象，然后使用 GetStringUTFChars 将Java字符串转换为C++可以使用的UTF-8编码的 const char* 字符串。处理完字符串后，应立即调用 ReleaseStringUTFChars 来释放本地引用，避免内存泄漏。
在进行Java和C++之间的数据交互时，需要特别注意数据类型的一致性和内存管理，以确保程序的稳定性和效率。
6. 本地库构建与.so文件生成
在本章节中，我们将深入了解如何使用CMake和NDK构建本地库，并生成相应的.so文件。这一步骤对于JNI开发至关重要，因为它是将C++代码编译成可在Android平台上运行的动态链接库的关键过程。
6.1 CMakeLists.txt与Makefile的编写
6.1.1 CMake的基本语法与应用
CMake是一个跨平台的自动化构建系统，它使用CMakeLists.txt文件来定义项目的构建规则。在Android NDK开发中，我们通常使用CMake来配置C++编译选项，并生成适用于Android的共享库文件(.so)。
创建CMakeLists.txt文件的基本步骤如下：
-
指定CMake版本 ：确保CMake能够以足够高的版本运行你的构建文件。
cmake cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1) -
设置项目名称 ：定义一个项目名称，这将用于后续的引用。
cmake project(my_project_name) -
添加库文件和可执行文件 ：告诉CMake源文件的位置，以便它知道需要编译什么。
cmake add_library( native-lib SHARED src/main/cpp/native-lib.cpp ) -
查找并链接NDK库 ：使项目能够使用NDK提供的库。
cmake find_library( log-lib log ) target_link_libraries( native-lib ${log-lib} )
6.1.2 编译选项的配置与优化
在CMake中，你还可以指定编译器标志和其他优化选项来调整你的构建过程。例如，可以启用针对特定CPU架构的优化：
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -std=c++11")
if (ANDROID_ARCH_arm)
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -mthumb")
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -mfpu=neon")
endif()
6.2 库文件的编译与链接
6.2.1 使用NDK编译.so文件
一旦你准备好了CMakeLists.txt文件，你就可以使用NDK的build工具来生成.so文件。在命令行中执行以下指令：
$ cd path_to_your_project
$ ndk-build
这条命令将根据CMakeLists.txt文件中的定义编译C++源代码，并链接生成对应的.so文件。
6.2.2 库的测试与验证
生成的.so文件通常存放在 app/build/intermediates/cmake/debug/obj 目录下。为了验证库文件是否正确生成和功能正常，你可以在Android Studio中创建一个简单的JNI方法调用测试，通过运行你的应用并查看输出结果来验证。
下面是创建一个测试用的Activity的示例代码片段：
public class TestActivity extends AppCompatActivity {
static {
System.loadLibrary("native-lib");
}
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_test);
// 调用本地方法
String result = nativeMethod();
Log.d("TestActivity", "Native method returned: " + result);
}
public native String nativeMethod();
}
确保你已经通过JNI正确地定义了 nativeMethod 方法，然后运行你的应用并检查日志输出以验证.so文件是否被正确加载和执行。
在下一章中，我们将探讨如何在Java层调用这些在C++中实现的方法，并讨论在调用过程中可能出现的异常以及性能优化的措施。
简介：本文全面剖析了在Android平台上如何使用C++调用Java函数，重点介绍了JNI技术的细节和应用。从设置项目环境到JNI接口的创建，再到本地库的构建和性能优化，每一步都提供了详实的指导。同时，对于复杂操作的注意事项、错误处理、调试方法以及最佳实践也进行了介绍。掌握这些关键知识点，可以帮助开发者在保持Java代码可读性和可维护性的同时，利用C++提升Android应用的性能。
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