Android JNI概述

JNI 安卓開發 · 發表 2018-12-01 17:27:21

摘要：本文基於Android 9.0原始碼分析 Android JNI簡介 JNI是Java Native Interface, 它提供了一種從位元組碼(Java/Kotlin)到Native程式碼(c/c++/assembly)的互動方式 JavaVM與JNIEnv JNI定義了兩...

本文基於Android 9.0原始碼分析

Android JNI簡介

JNI是Java Native Interface, 它提供了一種從位元組碼(Java/Kotlin)到Native程式碼(c/c++/assembly)的互動方式

JavaVM與JNIEnv

JNI定義了兩個關鍵的資料結構：JavaVM和JNIEnv

JavaVM
- JavaVM提供了"invocation interface"函式表，允許你建立和銷燬JavaVM，理論上你可以在程序內建立多個JavaVM例項，但Android只允許建立一個。
JNIEnv
- JNIEnv提供了大部分JNI方法，JNIEnv儲存在TLS中，基於上述原因，不能線上程間共享JNIEnv。上面的圖中JNINativeInterface實際是全域性結構體，圖有點問題。
執行緒
- Android中的執行緒都是Linux執行緒，由Linux核心排程。通常通過 Thread.start() 啟動執行緒，但是也可以使用其他方法啟動執行緒，然後attach到JavaVM。比如，使用 pthread_create() 建立執行緒，呼叫 AttachCurrentThread() 或者 AttachCurrentThreadAsDaemon() attach到JavaVM。注意，在attach之前，沒有JNIEnv，無法使用JNI。

Android Native方法註冊

使用 `RegisterNatives` 顯示註冊

示例

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

// Used to load the 'native-lib' library on application startup.
static {
System.loadLibrary("native-lib");
}
......
/**
* A native method that is implemented by the 'native-lib' native library,
* which is packaged with this application.
*/
public native String stringFromJNI();
}

// 1) using RegisterNatives register native method
static jstring StringFromJNI(JNIEnv *env, jobject obj) {
std::string hello = "Hello from C++";
return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

static JNINativeMethod jni_methods[] = {
{"stringFromJNI", "()Ljava/lang/String;", (void *)StringFromJNI}
};

// 這裡JNI_OnLoad不需要新增extern "C"
JNIEXPORT jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
JNIEnv* env;

if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
return -1;
}

if (env->RegisterNatives(env->FindClass("lbtrace/jniregister/MainActivity"),
jni_methods, sizeof(jni_methods) / sizeof(JNINativeMethod)) != JNI_OK)
return -1;

return JNI_VERSION_1_6;
}

原理

首先獲取呼叫者的類載入（這裡是應用類載入器），然後在類載入器的DexPathList中查詢Native庫
- 根據Native庫的名字產生平臺相關的庫名
- 在DexPathList的Native庫路徑列表中查詢Native庫，找到後返回庫的絕對路徑
JavaVM負責載入Native庫，如果沒有載入過，裝載Native庫到程序地址空間，然後查詢Native庫中是否有函式 JNI_OnLoad() ，如果存在，執行；否則執行時動態查詢Native方法。
在 JNI_OnLoad() 中，首先獲取當前執行緒的JNIEnv，然後呼叫其 RegisterNatives() 註冊Native方法。
- 首先檢查需要註冊Native方法的資訊是否合法
- 根據方法名、方法簽名查詢對應的Native方法的ArtMethod
- 將Native函式地址寫入ArtMethod物件特定的成員中

執行時動態查詢

示例

// 2) Android Runtime dynamic find native method
// 必須新增extern "C"
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_lbtrace_jniregister_MainActivity_stringFromJNI(
JNIEnv* env,
jobject /* this */) {
std::string hello = "Hello from C++";
return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

原理

ART執行時執行到呼叫Native方法的位元組碼時,首先獲取方法對應的ArtMethod，根據ArtMethod物件的地址以及成員entry_point_from_quick_compiled_code_的偏移得到JNI Stub的地址。
在JNI Stub函式中，首先進行Native方法呼叫前的準備工作(引數處理、程序狀態切換等)，然後根據特定的Native方法名(java_xxx_xxx_xxx)查詢Native方法，呼叫Native方法，Native方法地址儲存到ArtMethod，最後是Native方法呼叫結束後的清理工作。

思考：Native方法中jobject型別的引數是什麼？

在先前的Android版本中是Local Reference

StackReference

Android JNI本地引用和全域性引用

對於基本型別，進行JNI呼叫時，可以直接拷貝到Native方法，但是對於Java物件採用引用傳遞。虛擬機器必須能夠追蹤到所有傳遞到Native方法的Java物件，避免被GC回收。當Native方法不再需要Java物件時，必須有一種方法通知虛擬機器。

對於本地引用及全域性引用的實現細節，將在後續文章中討論。

Local Reference

本地引用在Native方法呼叫期間可用，在Native方法返回後自動釋放。

對於大的Java物件的本地引用，不用時應及時釋放
不要建立太多本地應用

Global Reference

全域性引用不會自動釋放，直到顯式的刪除

Weak Global Reference

弱全域性引用是一種特殊的全域性引用，與普通的全域性引用不同的是，GC可以回收弱全域性引用關聯的Java物件。當GC執行時，會回收一個僅僅被弱全域性引用關聯Java物件。所以在使用之前，應該首先檢查弱全域性引用的Java物件是否被回收。

思考：Android中Java引用到底是什麼？

根據Java引用原理，可以在Native層直接修改Java物件內容

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

// Used to load the 'native-lib' library on application startup.
static {
System.loadLibrary("native-lib");
}

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
......
TestObject testObject = new TestObject();
Log.i("JNI", "Before : " + testObject.month + "月" +
testObject.day + "日");
stringFromJNI(testObject);
Log.i("JNI", "After : " + testObject.month + "月" +
testObject.day + "日");
......
}

public native String stringFromJNI(Object obj);

static class TestObject {
int month = 11;
int day = 29;
}
}

extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_lbtrace_jniregister_MainActivity_stringFromJNI(
JNIEnv* env,
jobject obj, jobject test_obj) {
std::string hello = "Hello from C++";

// Java TestObject Mirror address
int32_t *test_obj_ptr = reinterpret_cast<int32_t *>(
*(reinterpret_cast<int32_t *>(test_obj)));

// According TestObject memory layout
// Swap month field and day field in TestObject
int32_t tmp = *(test_obj_ptr + 2);
*(test_obj_ptr + 2) = *(test_obj_ptr + 3);
*(test_obj_ptr + 3) = tmp;

return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

參考

ofollow,noindex">JNI Tips
Java Native Interface Specification