目录

一、前言：

二、JNI简介

三、JNI函数注册

3.1静态注册：

3.2 动态注册

四、函数签名

 4.1 什么是函数签名：

4.2 为什么需要函数的签名:

4.3 如何获取函数的签名

五、JNIEnv

5.1 何为JNIEnv：

5.2 通过JNIEnv调用java对象方法

5.3 跨线程如何调用java方法

六、垃圾回收

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一、前言：

        本篇文章是针对android 开发过程中的使用的jni技术做一些的原理上的解析，不再介绍具体的jni的使用，关于如何在android中使用jni开发的教程可以去网上搜索然后自行尝试。本篇文章主要介绍的比如jni函数的注册、jni和java层的线程映射关系等

二、JNI简介

        2.1 JNI 是Java Native Interface的缩写，表示"Java本地调用"。通过JNI技术可以实现

                Java调用C程序

                C程序调用Java代码

我们的android源码中有很多代码都是Jni的实现的。例如MediaScanner的实现。就是通过jni的技术让我们在java层扫描到媒体相关的资源的

         2.2 JNi的使用步骤：

                Jni的使用的步骤大概可以如下几步

                a) java声明native函数

                b) jni实现对应的c函数

                c) 编译生成so库

                d) java 加载so库，并调用native函数

三、JNI函数注册

        我们知道，jni的函数在使用的时候是直接调用java层的native函数的，我们平时在开发jni的时候，可能就是按部就班的，定义一个类，生命几个native函数，然后使用javac、javah等命令，然后再实现对应的C文件，最终编译成so库使用。那么java层的native函数是如何调用到c语言那边的函数的呢？这边就设计到JNI函数的注册问题了。JNI函数分为静态注册和动态注册的方式

3.1静态注册：

        静态注册的方式我们平时用的比较多。我们通过javac和javah编译出头文件，然后再实现对应的cpp文件的方式就是属于静态注册的方式。这种调用的方式是由于JVM按照默认的映射规则来匹配对应的native函数，如果没匹配，则会报错。具体的匹配的规则是什么样的呢？可以看一下下面的例子

//Java 层代码JniSdk.java
public class JniSdk {
    static {
        System.loadLibrary("test_jni");
    }

    public native String showJniMessage();
}


//Native层代码 jnidemo.cpp
extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_example_dragon_androidstudy_jnidemo_JniSdk_showJniMessage
  (JNIEnv* env, jobject job) {
    return env->NewStringUTF("hello world");
}

从上面的例子可以看到java层的showJniMessage函数对应的就是c语言那边的Java_com_example_dragon_androidstudy_jnidemo_JniSdk_showJniMessage函数。那么这个是如何映射的呢？其实这个映射是JVM实现的。我们在调用showJniMessage函数的时候，JVM会从JNI库寻找对应的函数并调用。寻找的时候按照如下规则：

我们的JniSdk.java的包名是com.example.dragon.androidstudy.jnidemo。那么showMessage方法完整的路径就是com.example.dragon.androidstudy.jnidemo.JniSdk.showJniMessage。而.在C里面有特殊的函数，所以JVM就将其他替换成了_。并再前面加了Java_标识，就变成了上面的方法

3.2 动态注册

        不知道大家注意到没有，每次使用JNI的时候，都要先生命native，然后编译成class。在生成头文件。最后再按照特定的规则去实现native函数。这一整套流程下来不仅繁琐，很多步骤还是没必要的(我们根据没必要生成.h文件，只要在.c文件里面根据对应的规则声明函数即可)。而且JVM在根据静态注册匹配的规则调用函数的时候效率也会比较低。因此有了动态注册的方法，所谓的动态注册，就是我们不用默认的映射规则，直接由我们告诉JVM。java的native函数对应的是C文件里面的哪个函数。废话不多说，直接上例子

public class JniSdk {

    static {
        System.loadLibrary("test_jni");
    }


    public static native int numAdd(int a, int b);

    public native void dumpMessage();
}

JNINativeMethod g_methods[] = {
        {"numAdd", "(II)I", (void*)add},
        {"dumpMessage","()V",(void*)dump},
};

jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
    j_vm = vm;
    JNIEnv *env = NULL;
    if (vm->GetEnv((void**)&env, JNI_VERSION_1_2) != JNI_OK) {
        LOGI("on jni load , get env failed");
        return JNI_VERSION_1_2;
    }
    jclass clazz = env->FindClass("com/example/dragon/androidstudy/jnidemo/JniSdk");
    //clazz对应的类名的完整路径。把.换成/   g_methods定义的全局变量     1  是g_methods的数组长度。也可以用sizeof(g_methods)/sizeof(g_methods[0])
    jint ret = env->RegisterNatives(clazz, g_methods, 2);
    if (ret != 0) {
        LOGI("register native methods failed");
    }
    return JNI_VERSION_1_2;
}

上面的JNI_OnLoad函数是在我们通过System.loadlibrary函数的时候，JVM会回调的一个函数，我们就是在这里做的动态注册的事情，可以看到，我们通过env->RegisterNatives注册。这个env是jni函数实现的核心，我们后面再讲。这里主要讲解一下g_methods对象，下面是JNINativeMethods结构体的定义

typedef struct {
    const char* name;   //对应java中native的函数名
    const char* signature;  //java中native函数的函数签名
    void*       fnPtr;  //C这边实现的函数指针
} JNINativeMethod;

其中signature指的是函数的签名。这个在下个小节具体讲解

四、函数签名

        根据第三小节中聊到的，我们在动态注册的时候需要用到函数的签名。那么什么是函数的签名？为什么需要函数的签名呢？如何获取函数的签名？接下来针对这三个问题做一个讲解

 4.1 什么是函数签名：

        所谓函数签名，简单点的理解可以理解成一个函数的唯一标识，一个签名对应着一个函数的签名。这个是一一对应的关系。有些人可能会问：函数名不能作为标识么？答案当然是否定的

4.2 为什么需要函数的签名:

        我们知道，java是支持函数重载的。一个类里面可以有多个同名但是不同参数的函数，所以函数名+参数名才唯一构成一个函数标识，因此我们需要针对参数做一个签名标识。这样jni层才能唯一识别到一个函数

4.3 如何获取函数的签名

        函数的签名是针对函数的参数以及返回值进行组成的。它遵循如下格式(参数类型1;参数类型2;参数类型3.....)返回值类型。例如我们上面的numAdd函数一样。他在java层的函数声明是

int numAdd(int a, int b)

这里面有两个参数都是int，并且返回值也是int。所以的函数签名是(II)I。而dumpMessage函数没有任何参数，并且返回值也是空，所以它的签名是()V。具体的函数类型对应的签名的映射关系如下

类型标识	Java类型	类型标识	Java类型
Z	boolean	F	float
B	byte	D	double
C	char	L/java/language/String	String
S	short	[I	int[]
I	int	[Ljava/lang/object	Object[]
J	long	V	void

我们如果自己手动去写这种签名的话。很容易出错，有一个工具可以很方便的列出每个函数的签名，我们可以先通过javac命令编译出class文件。然后再通过javap -s -p xxx.class命令列出这个class文件所有的函数签名

public native java.lang.String showJniMessage();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;

  public static native int numAdd(int, int);
    descriptor: (II)I

  public native void dumpMessage();
    descriptor: ()V

五、JNIEnv

        前面几个小节都是讲了java函数和jni函数的一个映射和调用关系，一旦映射关系建立之后，在java层调用native函数就变得很简单了。但是我们的程序并不仅仅是这么简单的需求，绝大多数的时候需要jni函数调用java层的函数，比如我们进行后台文件操作后将结果通知到上层，这个时候就需要调用到java的函数了。那么这个时候该如何实现呢？这个时候就要到我们的主角JNIEnv出场了。这个JNIEnv可以说是贯穿了整个JNI技术的核心，因此我们会着重讲解这个

5.1 何为JNIEnv：

        JNIEnv是JVM内部维护的一个和线程相关的代表JNI环境的结构体，这个结构体是和线程相关的。并且C函数里面的线程与java函数中的线程是一一对应关系。也就是说，如果在java里的某个线程调用jni接口，不管调用多少个JNI接口，传递的JNIEnv都是同一个对象。因为这个时候java只有一个线程，对应的JNI也只有一个线程，而JNIEnv是跟线程绑定的，因此也只有一个

mShowTextBtn.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View v) {
                JniSdk.getInstance().dumpArgs(arg);
                JniSdk.getInstance().dumpArgsBak(arg);
            }
        });


void dumpArg(JNIEnv *env, jobject call_obj, jobject arg_obj) {
    LOGI("on dump arg function, env :%p", env);
}

void dumpArgBak(JNIEnv *env, jobject call_obj, jobject arg_obj) {
    LOGI("on dump arg bak function, env :%p", env);
}

//实际输出
//on dump arg function, env :0xb7976980
//on dump arg bak function, env :0xb7976980

可以看到，在不同的两个JNI接口里面打印的JNIEnv是一样的，如果是不同的线程，打印的JNIEnv是不一样的。感兴趣的朋友可以自己去做实验

5.2 通过JNIEnv调用java对象方法

        通过JNIEnv调用方法大致可以分为以下两步：

        a、获取到对象的class，并且通过class获取成员属性

        b、通过成员属性设置获取对应的值或者调用对应的方法

这个网上的例子很多，具体的不在本篇的讨论的范围。大家可以自行百度实验

public class JniSdk {
    private int mIntArg = 5;
    public int getArg() {
        return mIntArg;
    }
}

void dump(JNIEnv *env, jobject obj) {
    LOGI("this is dump message call: %p", obj);
    jclass jc = env->GetObjectClass(obj);
    jmethodID  jmethodID1 = env->GetMethodID(jc,"getArg","()I");
    jfieldID  jfieldID1 = env->GetFieldID(jc,"mIntArg","I");
    jint  arg1 = env->GetIntField(obj,jfieldID1);
    jint arg = env->CallIntMethod(obj, jmethodID1);
    LOGI("show int filed: %d, %d",arg, arg1);
}

这边需要注意的一点是：如果jni方法是通过static方式调用的话，这边的jobject表示的是jclass对象，需要进行强转，并不表示一个独立的对象

5.3 跨线程如何调用java方法

上面的java调用jni或者jni调用java的方法，大家感觉没什么特别之处对吧。无非就是调用JNIEnv的几个接口而已。但事实上并非如此，上面可以直接调用的原因是java调用到jni层的时候始终都在同一个线程，因此再jni层可以直接操作从java层传递下来的JNIEnv对象来实现各种操作。但是如果是在JNI层创建的一个额外的线程想调用Java方法呢？这个时候又该如何操作呢？

上面说过，JNIEnv是与线程一一对应的。实际上这里的一一对应是指跟java和jni的线程共同对应。什么意思呢？这里可以用几张图来表示

上面的图表示的JVM内部维护一个关于线程映射的表，一个java线程和一个jni线程共同拥有一个JNIEnv。如果java线程调用native函数的时候，JVM还没有为这两个线程建立起映射关系，那么就会新创建一个JNIEnv并且传递到jni线程，如果之前已经有创建过映射关系。那么就直接采用原来的JNIEnv 。如5.1所描述的那样，两个JNIEnv的对象是相同的。反之也一样，如果jni调用java线程的话，那么需要向JVM申请获取到已经映射的JNIEnv，如果之前未映射过的话。那么就重新创建一个。这个方法就是AttachCurrentThread。

JNIEnv *g_env;

void *func1(void* arg) {
    LOGI("into another thread");
    //使用全局保存的g_env，进行操作java对象的时候程序会崩溃
    jmethodID  jmethodID1 = g_env->GetMethodID(jc,"getArg","()I");
    jint arg = g_env->CallIntMethod(obj, jmethodID1);
    
    //通过这种方法获取的env，然后再进行获取方法进行操作不会崩溃
    JNIEnv *env;
    j_vm->AttachCurrentThread(&env,NULL);

}

void dumpArg(JNIEnv *env, jobject call_obj, jobject arg_obj) {
    LOGI("on dump arg function, env :%p", env);
    g_env = env;
    pthread_t *thread;
    pthread_create(thread,NULL, func1, NULL);
}

上面的demo表示JNIEnv跟每个线程是捆绑的，无法在线程B访问到线程A的JNIEnv。所以通过保存g_env的方式去使用是不行的。而是应该要通过AttachCurrentThread方法进行获取新的JNIEnv，然后再进行调用

六、垃圾回收

        我们都知道java创建的对象是由垃圾回收器来回收和释放内存的。那么java的那种方式在jni那边是否行得通的呢？答案是否？在JNI层。如果使用ObjectA = ObjectB的方式来保存变量的话。这种是没办法保存变量的。随时会被回收，我们必须要通过env->NewGlobalRef和env->NewLocalRef的方式来创建，还有一个env->NewWeakGlobalRef（这种很少使用）

        那么这两种的生命周期如何呢？这边直接给出结论：

        NewLocalRef创建的变量再函数调用结束后会被释放掉

        NewGlobalRef创建的变量除非手动delete掉，否则会一直存在

至此，JNI的运行机制的理解已经总结结束了