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一.JNI與NDK的關系

1.什么是JNI杏瞻？

JNI（Java Native Interface癌压，Java本地接口）蛹批，用于打通Java層與Native層撰洗。 這不是Android系統(tǒng)所獨有的，而是Java所有腐芍。
??Java語言是跨平臺的語言差导，而這跨平臺的背后都是依靠Java虛擬機，虛擬機采用C/C++編寫猪勇，適配各個系統(tǒng)设褐，通過JNI為上層Java提供各種服務，保證跨平臺性。通俗地說助析，JNI是一種技術犀被，通過這種技術可以做到以下兩點： Java程序中的函數(shù)可以調(diào)用Native語言寫的函數(shù)； Native程序中的函數(shù)可以調(diào)用Java層的函數(shù)外冀。

1.1.1 正常情況下的Android框架

最頂層是 Android的應用程序代碼, 是純Java代碼, 中間有一層的Framework框架層, 通過Framework進行系統(tǒng)調(diào)用底層的庫 和 linux 內(nèi)核;

正常情況下的Android框架.jpg

1.1.2.使用JNI時的Android框架

繞過Framework提供的調(diào)用底層的代碼, 直接調(diào)用自己寫的C++代碼,該代碼最終會編譯成為一個動態(tài)的“.so庫（第二張圖的Native Libs）”寡键，該動態(tài)庫可以通過NDK提供的函數(shù)等工具,調(diào)用底下的C層Native Lib(上圖第三層)

使用JNI時的Android框架.png

2.什么是NDK？

NDK（英語：native development kit,原生開發(fā)工具包）,是一種基于原生程序接口的軟件開發(fā)工具雪隧。通過此工具開發(fā)的程序直接以本地語言運行西轩，而非虛擬機。因此只有java等基于虛擬機運行的語言的程序才會有原生開發(fā)工具包脑沿。
??上面我們說過遭商，JNI是Java的一種特性，因此即便沒有NDK捅伤，我們?nèi)稳豢梢杂肅艸來寫我們的應用，那么為什么還要NDK呢巫玻？因為在此之前丛忆，在Android SDK文檔里，找不到任何JNI方面的幫助仍秤。即使第三方應用開發(fā)者使用JNI完成了自己的C++動態(tài)鏈接庫開發(fā)熄诡，但是so如何和應用程序一起打包成apk并發(fā)布？這里面也存在技術障礙诗力。

• 因此凰浮，NDK提供了一系列的工具，幫助開發(fā)者快速開發(fā)C（或C++）的動態(tài)庫苇本，并能自動將so和java應用一起打包成apk袜茧。這些工具對開發(fā)者的幫助是巨大的。
• NDK集成了交叉編譯器瓣窄，并提供了相應的mk文件隔離CPU笛厦、平臺、ABI等差異俺夕，開發(fā)人員只需要簡單修改mk文件（指出“哪些文件需要編譯”裳凸、“編譯特性要求”等），就可以創(chuàng)建出so劝贸。

二.JNI函數(shù)的動態(tài)注冊方式

1.JNI_OnLoad

在JNI中有一組特殊的函數(shù)：

JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved);
JNIEXPORT void JNICALL JNI_OnUnload(JavaVM *vm, void *reserved);

這一組函數(shù)的作用就是負責Java方法和本地C函數(shù)的鏈接姨谷，其中JNI_OnLoad方法是在動態(tài)庫被加載時調(diào)用(調(diào)用“System.loadLibrary("so庫名字");的時候”)，而JNI_OnUnload則是在本地庫被卸載時調(diào)用映九。所以這兩個函數(shù)就是一個本地庫最重要的兩個生命周期方法梦湘。

2.JNIEnv和JavaVM的區(qū)別

JNI_OnLoad方法在動態(tài)注冊時的全部代碼如下：

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* resered){
    JNIEnv* env = NULL;
    if((*vm).GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_6)!=JNI_OK){
        return JNI_ERR;
    }

    if(!registerNatives(env)){
        return JNI_ERR;
    }
    return JNI_VERSION_1_6;
}

注意到其中兩個類：JavaVM 和 JNIEnv

2.2.1 JavaVM 和 JNIEnv

JavaVM代表java的虛擬機。在java里，每一個process可以產(chǎn)生多個java vm對象践叠，但是在android上言缤，每一個process只有一個Dalvik虛擬機對象，也就是在android進程中是通過有且只有一個虛擬器對象來服務所有java和c/c++代碼禁灼，這個對象是線程共享的管挟。
??JNIEnv（JNI Interface Pointer）是提供JNI Native函數(shù)的基礎環(huán)境，線程相關弄捕，不同線程的JNIEnv相互獨立僻孝。

JNIEnv示意圖.png

從上圖可知，JNIEnv實際上就是提供了一些JNI系統(tǒng)函數(shù)守谓。通過這些函數(shù)可以做到：

• 調(diào)用Java的函數(shù)穿铆。
• 操作jobject對象等很多事情。

如果說到這里還不明白的話斋荞，沒關系荞雏，我們之后會講JNIEnv這個指針的具體用法。

2.2.2 Java和Android中JavaVM對象有區(qū)別

在java里平酿，每一個process可以產(chǎn)生多個java vm對象凤优，但是在android上，每一個process只有一個Dalvik虛擬機對象蜈彼，也就是在android進程中是通過有且只有一個虛擬器對象來服務所有java和c/c++代碼筑辨。

Android的dex字節(jié)碼和c/c++的.so同時運行Dalvik虛擬機之內(nèi)，共同使用一個進程空間幸逆。之所以可以相互調(diào)用棍辕，也是因為有Dalvik虛擬機*，Dalvik虛擬機說白了也是一個Android定制版的JVM还绘，谷歌對他做了很多優(yōu)化和調(diào)整（比如將JVM的機制堆棧尋址改為了基于寄存器）楚昭，因此它也是用C實現(xiàn)的，它的底層調(diào)的是第一張圖的第三層(系統(tǒng) Libs)拍顷。

當java代碼需要c/c++代碼時哪替，在Dalvik虛擬機加載進.so庫時，會先調(diào)用JNI_Onload()菇怀，此時就會 把JAVA VM對象的指針存儲于c層jni組件的全局環(huán)境中凭舶，在Java層調(diào)用C層的本地函數(shù)時，調(diào)用c本地函數(shù)的線程必然通過Dalvik虛擬機來調(diào)用c層的本地函數(shù)爱沟，此時帅霜，Dalvik虛擬機會為本地的C組件實例化一個JNIEnv指針，該指針指向Dalvik虛擬機的具體的函數(shù)列表

當JNI的c組件調(diào)用Java層的方法或者屬性時呼伸，也需要通過JNIEnv指針來進行調(diào)用身冀。當本地c/c++想獲得當前線程所要使用的JNIEnv時钝尸，可以使用Dalvik虛擬機對象的JavaVM jvm->GetEnv()返回當前線程所在的JNIEnv*(上面代碼也展示了)：

if((*vm).GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_6)!=JNI_OK){

其中JNI_VERSION_1_6為JNI版本，這個值可以通過jint GetVersion(JNIEnv *env);來獲取當前的JNI版本搂根，返回值是宏定義的常量珍促，我們可以使用獲取到的值與下列宏進行匹配來知道當前的版本：

#define JNI_VERSION_1_1 0x00010001
#define JNI_VERSION_1_2 0x00010002
#define JNI_VERSION_1_4 0x00010004
#define JNI_VERSION_1_6 0x00010006

3.動態(tài)注冊

2.3.1 JNINativeMethod

首先我們來說說JNINativeMethod，就是我們動態(tài)注冊時建立的函數(shù)映射表剩愧，將Java代碼中的native函數(shù)名和native函數(shù)對應起來：

static JNINativeMethod methods[] = {
        {
                "nativeBaseDataType",  //Java代碼中的native函數(shù)的名字
                "(SIJFDCZ)V",   //方法的簽名信息,主要是參數(shù)+返回值猪叙，V表示返回類型為void
                (void*)baseDataType //函數(shù)指針，指向一個native中定義的C++函數(shù)
        }
}

上面建立了兩個函數(shù)對應關系仁卷，也就是JNINativeMethod數(shù)組中的兩個結(jié)構(gòu)體穴翩，每個結(jié)構(gòu)體有三個成員，第一個為Java代碼中的native函數(shù)的名字锦积，第三個為native中對應被調(diào)用的函數(shù)名字芒帕，我們來看看這兩個函數(shù)：

java代碼中：
public static native void nativeBaseDataType(
                short s, int i, long l, float f, double d, char c, boolean b );

C++代碼中：
void baseDataType(JNIEnv* jniEnv,jobject jobj,jshort s,
                    jint i, jlong l, jfloat f, jdouble d, jchar c, jboolean b){
    ELOG("LearnJNI.cpp --> baseDataType:%d,%f,%c,%d",i,d,c,b);
}

這個方法展示了Java層向C++層傳遞基本類型數(shù)據(jù)》峤椋可以看到JNINativeMethod數(shù)組中結(jié)構(gòu)體的第一個元素和第三個元素就是這兩個地方方法的名字（其中第三個元素前面必須加上(void*)）

我們再來看看結(jié)構(gòu)體中第二個元素背蟆，(SIJFDCZ)V，這就是Java代碼中對應的JNI函數(shù)的簽名哮幢，也就是參數(shù)類型+返回值類型,只是這個類型有一定的對應關系：

因此public static native void nativeBaseDataType(short s, int i, long l, float f, double d, char c, boolean b );對應(SIJFDCZ)V淆储；public static native String nativeReturnString();對應()Ljava/lang/String;
??同時應當注意，jni函數(shù)簽名中家浇。參數(shù)類型之間不用“;”隔開(除了String類型的標識為“ Ljava/lang/String; ”自帶“;”)，直接連在一起就可以了碴裙，同時數(shù)組標識是在元素類型前面加“[”钢悲，如int[]標識為“[I”.

2.3.2 RegisterNatives

接著2中的那段代碼，看看“registerNatives()”：

static int registerNatives(JNIEnv *env) {
    const char *className = "com/example/dell/growup/LearnJNI"; //指定注冊的類
    return registerNativeMethods(env, className, methods, sizeof(methods) / sizeof(methods[0]));
}

static int registerNativeMethods(JNIEnv *env, const char *className, JNINativeMethod *gMethods,
                                 int numMethods) {
    jclass clazz;
    clazz = (*env).FindClass(className);
    if (clazz == NULL) {
        return JNI_FALSE;
    }

    if ((*env).RegisterNatives(clazz, gMethods, numMethods) < 0) {
        return JNI_FALSE;
    }
    return JNI_TRUE;
}

可以看到舔株，這里JNIEnv env排上用場了莺琳，首先className中我們指定了注冊native函數(shù)的包名+類名，接著我們調(diào)用JNIEnv的FindClass*方法clazz = (*env).FindClass(className);來獲取注冊native函數(shù)的類载慈，之后通過JNIEnv調(diào)用JNI函數(shù) (*env).RegisterNatives(clazz, gMethods, numMethods) 來注冊上面JNINativeMethod中定義的對應函數(shù)惭等。

當Java層通過System.loadLibrary加載完JNI動態(tài)庫后，緊接著會查找該庫中一個叫JNI_OnLoad的函數(shù)办铡，如果有辞做，就調(diào)用它，而動態(tài)注冊的工作就是在這里完成的寡具。
??所以秤茅，如果想使用動態(tài)注冊方法，就必須要實現(xiàn)JNI_OnLoad函數(shù)童叠，在這個函數(shù)中會完成動態(tài)注冊的工作框喳。靜態(tài)注冊則沒有這個要求，一般我們可以自己實現(xiàn)這個JNI_OnLoad函數(shù)，并在其中做一些初始化工作（即使是靜態(tài)注冊）五垮。

我們再貼一遍JNI_OnLoad()函數(shù)代碼：

//該函數(shù)的第一個參數(shù)類型為JavaVM,是虛擬機在JNI層的代表乍惊，每個Java進程只有一個
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* resered){
    JNIEnv* env = NULL;
    if((*vm).GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_6)!=JNI_OK){
        return JNI_ERR;
    }

    if(!registerNatives(env)){
        return JNI_ERR;
    }
    return JNI_VERSION_1_6;
}

三.JNIEnv的各種操作

1.基本類型數(shù)據(jù)處理

其實基本類型處理上面我們已經(jīng)展示過了，這里再貼一遍代碼:

java代碼中：
public static native void nativeBaseDataType(
                                short s, int i, long l, float f, double d, char c, boolean b);

C++代碼中：
void baseDataType(JNIEnv* jniEnv,jobject jobj,
                            jshort s,jint i, jlong l, jfloat f, jdouble d, jchar c, jboolean b){
    ELOG("LearnJNI.cpp --> baseDataType:%d,%f,%c,%d",i,d,c,b);
}

可以看到放仗，java中的基本數(shù)據(jù)類型润绎，在native中基本上就是在前面加了個“j”,實際上也就是在“jni.h”（NDK提供的jni開發(fā)類）中給java中的基本類型用結(jié)構(gòu)體包裝類一下：

typedef uint8_t  jboolean; /* unsigned 8 bits */
typedef int8_t   jbyte;    /* signed 8 bits */
typedef uint16_t jchar;    /* unsigned 16 bits */
typedef int16_t  jshort;   /* signed 16 bits */
typedef int32_t  jint;     /* signed 32 bits */
typedef int64_t  jlong;    /* signed 64 bits */
typedef float    jfloat;   /* 32-bit IEEE 754 */
typedef double   jdouble;  /* 64-bit IEEE 754 */

從Java層往C++層傳遞基本類型數(shù)據(jù)是很容易的，只要上面函數(shù)的映射關系建立好了匙监，就跟普通函數(shù)傳參一樣凡橱。

2.String字符串處理

這里我們展示一個從java向C++傳基本類型、String亭姥、數(shù)組稼钩，并從C++中像向Java中傳遞String的例子：

Java代碼中：
void returnString(){
        int i =3;
        char[] c = {'J','N','I'};
        String s = "learn";

        String string = nativeReturnJavaString(i,s,c);
        Log.e("returnString",string);
    }
public static native String nativeReturnJavaString(int i, String s, char[] c);

C++代碼：
static JNINativeMethod methods[] = {
    {
                "nativeReturnJavaString",
                "(ILjava/lang/String;[C)Ljava/lang/String;",  //注意多種數(shù)據(jù)類型簽名時中間沒有分號或逗號
                (void*)returnJavaString
        }
}

jstring returnJavaString(JNIEnv *jniEnv, jobject jobj, jint i, jstring j_str, jcharArray j_char){
    const char* c_str = NULL;
    jchar* j_charArray = NULL;
    jint arr_len;
    jint str_len;
    char buff[120] = {0};
    jboolean isCopy;

    arr_len = (*jniEnv).GetArrayLength(j_char);// 獲取char數(shù)組長度
    str_len = (*jniEnv).GetStringLength(j_str);// 獲取String長度

    j_charArray = (jchar*)malloc(sizeof(jchar)* arr_len);   // 根據(jù)數(shù)組長度和數(shù)組元素的數(shù)據(jù)類型申請存放java數(shù)組元素的緩沖區(qū)
    memset(j_charArray, 0,sizeof(jchar)* arr_len ); // 初始化緩沖區(qū)
    (*jniEnv).GetCharArrayRegion(j_char, 0, arr_len, j_charArray);  // 拷貝Java數(shù)組中的所有元素到緩沖區(qū)中

    c_str = (*jniEnv).GetStringUTFChars(j_str, &isCopy);
    sprintf(buff, "%s", c_str);   //sprintf(s, "%d", 123);  //把整數(shù)123打印成一個字符串保存在s中
    for(int j=0; j<i; j++){
        buff[str_len+j] = (char) j_charArray[j];
        //ELOG("LearnJNI.cpp --> returnJavaString:%c",buff[str_len+j]);
    }

    free(j_charArray);  // 釋放存儲數(shù)組元素的緩沖區(qū)
    (*jniEnv).ReleaseStringUTFChars(j_str,c_str);

    return jniEnv->NewStringUTF(buff);
}

我們知道，Java中String是一個對象达罗，他申明的對象是存放在JVM內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的（堆坝撑，棧，靜態(tài)區(qū)）粮揉。 JNI把Java中的所有對象當作一個C指針(對象的引用)傳遞到本地方法中巡李，這個指針指向JVM中的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(即這個對象存放的地址)，而內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的存儲方式是不可見的扶认。只能從JNIEnv指針指向的函數(shù)表中選擇合適的JNI函數(shù)來操作JVM中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)侨拦。

訪問java.lang.String對應的JNI類型jstring時，沒有像訪問基本數(shù)據(jù)類型一樣直接使用辐宾，因為它在Java是一個引用類型狱从，所以在本地代碼中只能通過GetStringUTFChars這樣的JNI函數(shù)來訪問字符串的內(nèi)容。

3.2.1 const char* GetStringUTFChars(env, j_str, &isCopy)

  env：JNIEnv函數(shù)表指針
  j_str：jstring類型（Java傳遞給本地代碼的字符串指針）
  isCopy：取值JNI_TRUE和JNI_FALSE叠纹，如果值為JNI_TRUE季研，表示返回JVM內(nèi)部源字符串的一份拷貝，并為新產(chǎn)生的字符串分配內(nèi)存空間誉察。如果值為JNI_FALSE与涡，表示返回JVM內(nèi)部源字符串的指針，意味著可以通過指針修改源字符串的內(nèi)容持偏，不推薦這么做驼卖，因為這樣做就打破了Java字符串不能修改的規(guī)定。但我們在開發(fā)當中鸿秆，并不關心這個值是多少款慨，通常情況下這個參數(shù)填NULL即可。

因為Java默認使用Unicode編碼谬莹，而C/C++默認使用UTF編碼檩奠，所以在本地代碼中操作字符串的時候桩了，必須使用合適的JNI函數(shù)把jstring轉(zhuǎn)換成C風格的字符串。JNI支持字符串在Unicode和UTF-8兩種編碼之間轉(zhuǎn)換埠戳，GetStringUTFChars可以把一個jstring指針（指向JVM內(nèi)部的Unicode字符序列）轉(zhuǎn)換成一個UTF-8格式的C字符串井誉。

3.2.2 jstring NewStringUTF(const char* bytes)

通過調(diào)用NewStringUTF函數(shù)，會構(gòu)建一個新的java.lang.String字符串對象整胃。這個新創(chuàng)建的字符串會自動轉(zhuǎn)換成Java支持的Unicode編碼颗圣。

3.2.3 void ReleaseStringUTFChars(jstring string, const char* utf)

在調(diào)用GetStringUTFChars函數(shù)從JVM內(nèi)部獲取一個字符串之后，JVM內(nèi)部會分配一塊新的內(nèi)存屁使，用于存儲源字符串的拷貝在岂，以便本地代碼訪問和修改。即然有內(nèi)存分配蛮寂，用完之后馬上釋放.通過調(diào)用ReleaseStringUTFChars函數(shù)通知JVM這塊內(nèi)存已經(jīng)不使用了蔽午，你可以清除了。注意：這兩個函數(shù)是配對使用的酬蹋，用了GetXXX就必須調(diào)用ReleaseXXX及老，而且這兩個函數(shù)的命名也有規(guī)律，除了前面的Get和Release之外范抓，后面的都一樣骄恶。

3.訪問數(shù)組

??訪問數(shù)組的例子上面已經(jīng)展示過了，這里主要說明一下幾個訪問數(shù)組相關的函數(shù)的用法匕垫。

3.3.1 jsize GetArrayLength(jarray array)

??獲取數(shù)組的長度僧鲁，返回值為jint類型，我們獲取數(shù)組的類型之后就可以調(diào)用malloc函數(shù)動態(tài)的分配內(nèi)存：

jint arr_len;
arr_len = (*jniEnv).GetArrayLength(j_char);

jchar* j_charArray = NULL;
j_charArray = (jchar*)malloc(sizeof(jchar)* arr_len);
memset(j_charArray, 0,sizeof(jchar)* arr_len );

??我們需要一個jchar* 類型的指針指向我們剛分配的內(nèi)存（的首地址）象泵，以便之后調(diào)用 memset函數(shù)的時候找到這塊內(nèi)存并將其中的字節(jié)初始化為0(申請的內(nèi)存中可能有之前殘余的值)寞秃，我們來看看這個memset函數(shù)：

memset() 函數(shù)用來將指定內(nèi)存的前n個字節(jié)設置為特定的值(經(jīng)常用于初始化剛剛申請的內(nèi)存)，其原型為：
    void * memset( void * ptr, int value, size_t num );

參數(shù)說明：
ptr 為要操作的內(nèi)存的指針单芜。
value 為要設置的值。你既可以向 value 傳遞 int 類型的值犁柜，也可以傳遞 char 類型的值洲鸠，
                int 和 char 可以根據(jù) ASCII 碼相互轉(zhuǎn)換。
num 為 ptr 的前 num 個字節(jié)馋缅，size_t 就是unsigned int扒腕。

3.3.2 void GetCharArrayRegion(jcharArray array, jsize start, jsize len,jchar* buf)

...
j_charArray = (jchar*)malloc(sizeof(jchar)* arr_len);
memset(j_charArray, 0,sizeof(jchar)* arr_len ); // 初始化緩沖區(qū)
(*jniEnv).GetCharArrayRegion(j_char, 0, arr_len, j_charArray);  // 拷貝Java數(shù)組中的所有元素到緩沖區(qū)中

c_str = (*jniEnv).GetStringUTFChars(j_str, &isCopy);
sprintf(buff, "%s", c_str);     //sprintf(s, "%d", 123);  //把整數(shù)123打印成一個字符串保存在s中

??GetCharArrayRegion將Java數(shù)組j_char，拷貝到我們剛剛申請的內(nèi)存j_charArray中萤悴，之后我們調(diào)用c_str = (*jniEnv).GetStringUTFChars(j_str, &isCopy);將java層傳來的 j_str（String類型）轉(zhuǎn)換成一個C風格字符串（c_str）瘾腰，然后sprintf(buff, "%s", c_str);是將作為C風格的字符串儲存在buff數(shù)組中。