JNI与NDK

（一）前言

Android FrameWork由基于java语言的java层与基于C/C++语言的C/C++层组成的，每个层中的功能模块都是使用相应的语言编写的，并且每个层中的大部分模块是保持着千丝万缕的联系的。在Android FrameWork中，需要提供一种媒介或者桥梁，将java层和C/C++层有机的联系在一起，使得他们相互协调，共同完成某些任务。在这两层之间充当桥梁任务的就是java本地接口【JNI，java native interface】，它允许java类与使用C/C++等其他编程语言编写的应用程序、模块、库进行交互操作。比如，在java类中使用C语言库中的特定函数，或在C语言程序中使用java类库，都需要借助JNI来完成。

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（二）使用JNI的原因

注重处理速度：与本地代码【C/C++】相比，java代码的执行速度要慢一些。如果对某些程序的执行速度有较高的要求，建议使用C/C++编写代码。而后在java中通过JNI调用基于C/C++编写的部分，常常能够获得更快的运行速度。
- 硬件控制：为了更好地控制硬件，硬件控制代码通常使用C语言编写。而后借助JNI将其与java层连接起来，从而实现对硬件的控制。
- C/C++代码的复用：在程序编写的过程中，使用已经编写好的C/C++代码，既提高了编程效率，又确保了程序的安全性与健壮性。

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（三）在java中调用C库函数

在java代码中通过JNI调用C函数的步骤如下：
1. 第一步：编写java代码
2. 第二步：编译java代码
3. 第三步：生成C语言头文件
4. 第四步：编写C代码
5. 第五步：生成C共享库
6. 第六步：运行java程序

3.1 第一步：编写java代码
首先编写调用C函数的java源代码“JniHello.java”，代码如下：

class JniHello {    // 本地方法声明    native void printfHello();    native void ptintfString(String str);    // 加载库    static{        System.loadLibrary("hellojni");    }    public static void main(String[] args) {        JniHello hello = new JniHello();        // 调用本地方法（实际上是C语言实现的JNI本地函数）        hello.printfHello();        System.out.println("----------------------------------");        hello.ptintfString("hello world from printfstring fun");    }}

3.2 第二步：编译java代码
事先下载安装好jdk，然后添加到系统环境变量，然后在命令行执行

javac JniHello.java

编译好之后就会生成JniHello.class文件。
3.3 第三步：生成C语言头文件
其实我最开始想的是为什么要有这一步呢，不是可以直接编写一个.c文件实现其中的方法然后进行加载调用就行了呢。其实现在了解到并不是这么简单的，了解到更深一层的原理或许就清楚为什么要添加这一步了。

其实在程序运行的时候，java虚拟机会在加载的本地运行库中查找与java本地方法相匹配的C函数，并生成映射表，而后将java本地方法与C函数连接在一起。但是java虚拟机并非是直接将C函数和java代码映射在一起，而是使用了函数原型，只有当生成了函数原型，java虚拟机即可把本地库中对应的函数与java函数链接在一起。也就是说若是想创建本地方法的的映射C函数，必须生成函数原型，函数原型存在于C/C++头文件中。

java中提供了javah工具了用来生成包含函数原型的C/C++头文件，使用方法：

javah <包含以native关键字声明的方法的java类名称>

运行javah命令，会在当前目录下生成与java类名相同名称的C语言头文件，定义了与java本地方法相链接的C函数原型。如下图：

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */#include <jni.h>/* Header for class com_tmz_day01_JniHello */#ifndef _Included_com_tmz_day01_JniHello#define _Included_com_tmz_day01_JniHello#ifdef __cplusplusextern "C" {#endif/* * Class:     com_tmz_day01_JniHello * Method:    printfHello * Signature: ()V */JNIEXPORT void JNICALL Java_com_tmz_day01_JniHello_printfHello  (JNIEnv *, jobject);/* * Class:     com_tmz_day01_JniHello * Method:    ptintfString * Signature: (Ljava/lang/String;)V */JNIEXPORT void JNICALL Java_com_tmz_day01_JniHello_ptintfString  (JNIEnv *, jobject, jstring);#ifdef __cplusplus}#endif#endif

这是javah命令生成的两个C语言函数原型，函数原型在java类中声明的本地方法的基础上生成。查看各函数原型的注释，可以看到与各函数原型对应的java代码中的本地方法，注释中标明了三个元素：类名、本地方法名、本地方法签名。只要生成了这样的函数原型，java虚拟机就能把本地库函数与java本地方法正常地链接在一起。

接下来，分析一下函数原型。JNIEXPORT、JNICALL都是JNI的关键字，表示的是此函数被JNI调用，函数原型中必须有这两个关键字，JNI才能正常调用函数。JNI支持的函数命名形式是“Java_类名_本地方法名”。

接下来，了解一下函数原型的参数。在生成的函数模型中有两个默认参数，第一个、第二个分别是JNIEnv 与jobject，支持JNI的函数必须包含这两个共同参数。第一个参数JNIEnv 是JNI接口的指针，用来调用JNI表中的各种函数。这里的JNI函数是JNI中提供的基本函数集，用来在JNI本地函数中创建java对象或者调用相应方法。函数原型中的第二个默认参数jobject也是JNI提供的java本地类型，用来在C代码中访问java对象，此参数中保存着调用本地方法的对象的一个引用。

java是一种与平台无关的语言，其数据类型在任何平台下占用相同的内存空间，但是在C/C++这类本地语言中，即使同一种数据类型，在不同的平台下占用不同的内存空间。

在JNI编程中，java程序与C/C++函数间经常进行数据交换，这就要提供一种方法消除两种语言的数据类型的差异，那就是java本地类型，使得本地语言可以使用java数据类型。如下表所示：

3.4 第四步：编写C代码
在C语言函数原型生成后，开始编写hellojni.c文件，具体实现JNI本地函数，首先把定义在.h头文件中的函数原型复制到.c文件中，注意，在使用javah命令生成的头文件中，函数的参数仅指定了参数的类型，并未给出参数的名称。因此复制完函数原型，开始实现C函数时，必须先在参数类型后指定具体的参数名称。
下面是编写好的hellojni.c的代码：

#include "com_tmz_day01_JniHello.h"#include<stdio.h>/* Class:     com_tmz_day01_JniHello * Method:    printfHello * Signature: ()V */JNIEXPORT void JNICALL Java_com_tmz_day01_JniHello_printfHello  (JNIEnv *env, jobject obj){    printf("Hello tangmingzhang!");    return;  }/* * Class:     com_tmz_day01_JniHello * Method:    ptintfString * Signature: (Ljava/lang/String;)V */JNIEXPORT void JNICALL Java_com_tmz_day01_JniHello_ptintfString  (JNIEnv *env, jobject obj, jstring string){    // 将java String转换成C字符串      const char *str = (*env)->GetStringUTFChars(env,string,0);      printf("%s!\n",str);      return;   } 

3.5 第五步：生成C共享库
可以在windows环境下利用Visual C++来构建共享库，也可以利用cygwin；Linux环境中可以使用gcc。

3.6 第六步：运行java程序

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（四）调用JNI函数

4.1 通过JNI，获取成员变量值
1. 查找含待访问的成员变量的java类的jclass值
2. 获取此成员变量的jfieldID值。若是成员变量为静态变量，则调用名称为GetStaticFieldID的JNI函数；若是待访问的成员变量是普通对象，则调用名称为GetFieldID的JNI函数
3. 使用1，2中获得的jclass与jfieldID值，获取或者设置成员变量值

下面是GetFieldID 方法【GetStaticFieldID与其相同】

jfieldID GetFieldID (JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name, const char *sig);
功能：返回类的实例（非静态）域的属性 ID。该域由其名称及签名指定。访问器函数的GetField 及 SetField
系列使用域 ID 检索对象域。GetFieldID() 不能用于获取数组的长度域。应使用GetArrayLength()。
参数： env：JNI 接口指针。
clazz：Java 类对象。
name: 该属性的Name名称
sig： 该属性的域签名。
返回值：属性ID。如果操作失败，则返回NULL。
抛出： NoSuchFieldError：如果找不到指定的域。
ExceptionInInitializerError：如果由于异常而导致类初始化程序失败。
OutOfMemoryError：如果系统内存不足。

4.2 通过JNI本地函数生成java对象
1. 查找指定的类，并将查找的类赋值给jclass类型的变量
2. 查找java类构造方法的ID值【类型为jmethodID】
3. 生成java对象

JNI本地函数生成的java对象有局部引用和全局引用之分：

局部引用是JNI默认的，它仅在JNI本地函数内才有效，即当JNI本地函数返回后，其内部的引用就会失效，下次java中拿到的局部引用就会为null。也就是局部引用只能使用一次而后就会变为null。
全局引用就是说可以只使用JNI本地函数创建对象赋值一次，那么在同一类中就可以使用。

下面看下JNI中的局部引用和全局引用的本地函数都有哪些：

jclass FindClass (JNIEnv *env, const char *name);
功能: 该函数用于加载本地定义的类。它将搜索由CLASSPATH 环境变量为具有指定名称的类所指定的目录和 zip文件。
参数：env JNI 接口指针。
name 类全名（即包名后跟类名，之间由”/”分隔）.如果该名称以“[（数组签名字符）打头，则返回一个数组类。
返回值：返回类对象全名。如果找不到该类，则返回 NULL。
抛出： ClassFormatError 如果类数据指定的类无效。
ClassCircularityError 如果类或接口是自身的超类或超接口。
NoClassDefFoundError 如果找不到所请求的类或接口的定义。
OutOfMemoryError 如果系统内存不足。

jclass GetObjectClass (JNIEnv *env, jobject obj);
功能：通过对象获取这个类。该函数比较简单，唯一注意的是对象不能为NULL，否则获取的class肯定返回也为NULL。
参数： env JNI 接口指针。
obj Java 类对象实例。

jobject NewGlobalRef (JNIEnv *env, jobject obj);
功能：创建 obj 参数所引用对象的新全局引用。obj 参数既可以是全局引用，也可以是局部引用。全局引用通过调用
DeleteGlobalRef() 来显式撤消。
参数：env JNI 接口指针。
obj 全局或局部引用。
返回值： 返回全局引用。如果系统内存不足则返回 NULL。

void DeleteGlobalRef (JNIEnv *env, jobject globalRef);
功能： 删除 globalRef 所指向的全局引用。
参数： env JNI 接口指针。
globalRef 全局引用。

如上还提供了一个DeleteGlobalRef这个本地函数这个是用来删除使用完的全局引用的。

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（五）直接注册JNI本地函数

我们知道java虚拟机在运行包括本地方法的java应用程序的时候，至少是要经过下面连个步骤的：
1. 调用S有stem.loadLibrary()方法，将包括本地方法具体实现的C/C++运行库加载到内存中。‘’
2. java虚拟机检索加载进来的库函数符号，在其中查找与java本地方法拥有相同签名的JNI本地函数符号，若是找到一致的，则将本地方法映射到具体的JNI本地函数

若是JNI支持的本地函数仅仅只有一个，java虚拟机在将本地方法与C运行库中的JNI本地函数映射在一起时，不会耗费太长时间。但是在Android framework这类负责系统下，拥有大量的包含本地方法的java类，java虚拟机加载相应运行库，再逐一检索，将各个本地方法与相应的函数映射起来，这显然会增加运行时间，降低运行的效率。

为了解决这一问题，JNI机制提供了名为RegisterNatives的JNI函数，该函数允许C/C++开发者将JNI本地函数与java类的本地方法直接映射在一起。当不调用RegisterNatives函数时，java虚拟机会自动检索并将JNI本地函数与相应的java本地方法链接在一起。但是当开发者直接调用RegisterNatives函数直接映射时，java虚拟机 就不必进行映射处理，这会极大地提高运行速度，提升运行效率。由于程序员直接将JNI函数与java方法链接在一起，在加载运行库时，java虚拟机不必为了识别JNI本地函数而将JNI函数的名称与JNI支持的命名规则进行比对，即任何名称的函数都能直接链接到java本地方法上。

如下代码中JNI_OnLoad函数就是进行直接注册的本地函数。用法如下：

/** * 如果要实现动态注册，这个方法一定要实现 * 动态注册工作在这里进行 */JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {    JNIEnv* env = NULL;    jint result = -1;    if ((*vm)-> GetEnv(vm, (void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {        return -1;    }    assert(env != NULL);    if (!registerNatives(env)) { //注册        return -1;    }    result = JNI_VERSION_1_4;    return result;}

稍微解释下，如果要实现动态直接注册就必须实现JNI_OnLoad方法，这个是JNI的一个入口函数，我们在Java层通过System.loadLibrary加载完动态库后，紧接着就会去查找一个叫JNI_OnLoad的方法。如果有，就会调用它，而动态注册的工作就是在这里完成的。在这里我们会去拿到JNI中一个很重要的结构体JNIEnv，env指向的就是这个结构体，通过env指针可以找到指定类名的类，并且调用JNIEnv的RegisterNatives方法来完成注册native方法和JNI函数的对应关系。

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（六）使用Android NDK开发步骤

1. 创建Android工程
2. javac 编译含有本地方法的.java文件
3. javah 生成JNI本地函数模型
4. 编写.c文件根据函数模型实现本地方法、
5. 编写Android.mk文件【向NDK编译系统提供创建本地库所需要的各种信息】
6. 在cygwin shell进入到project根目录下执行 ndk-build
7. 运行Android程序