Android JNI知識簡介

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Android JNI知識簡介
Java Native Interface (JNI)標準是java平臺的一部分，它允許Java代碼和其他語言寫的代碼進行交互。JNI 是本地編程接口，它使得在 Java 虛擬機 (VM) 內部運行的 Java 代碼能夠與用其它編程語言(如 C、C++ 和匯編語言)編寫的應用程序和庫進行交互操作。
1.
從如何載入.so談起
由于Android的應用層的類都是以Java寫的，這些Java類編譯為Dex型式的Bytecode之后，必須靠Dalvik虛擬機(VM: Virtual Machine)來執行。VM在Android平臺里，扮演很重要的角色。
此外，在執行Java類的過程中，如果Java類需要與C組件溝通時，VM就會去載入C組件，然后讓Java的函數順利地調用到C組件的函數。此時，VM扮演著橋梁的角色，讓Java與C組件能通過標準的JNI介面而相互溝通。
應用層的Java類是在虛擬機(VM: Vitual Machine)上執行的，而C件不是在VM上執行，那么Java程式又如何要求VM去載入(Load)所指定的C組件呢? 可使用下述指令：
System.loadLibrary(.so的檔案名);
例如，Android框架里所提供的MediaPlayer.java類，含指令：

public class MediaPlayer{
static {
System.loadLibrary("media_jni");
}
}

這要求VM去載入Android的/system/lib/libmedia_jni.so庫。載入.so之后，Java類與.so庫就匯合起來，一起執行了。
2.如何撰寫.so的入口函數
---- JNI_OnLoad()與JNI_OnUnload()函數的用途
當Android的VM(Virtual Machine)執行到System.loadLibrary()函數時，首先會去執行C組件里的JNI_OnLoad()函數。它的用途有二：
(1)告訴VM此C組件使用那一個JNI版本。如果你的.so沒有提供JNI_OnLoad()函數，VM會默認該.so是使用最老的 JNI 1.1版本。由于新版的JNI做了許多擴充，如果需要使用JNI的新版功能，例如JNI 1.4的java.nio.ByteBuffer,就必須藉由JNI_OnLoad()函數來告知VM。
(2)由于VM執行到System.loadLibrary()函數時，就會立即先呼叫JNI_OnLoad()，所以C組件的開發者可以藉由JNI_OnLoad()來進行C組件內的初期值之設定(Initialization) 。
例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so里，就提供了JNI_OnLoad()函數，(可參考android SDK中 android_media_MediaPlayer.cpp)其程式碼片段為：

//#define LOG_NDEBUG 0
define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"
jint JNI_OnLoad(JavaVM vm, void reserved)
{
JNIEnv env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
goto bail;
}
assert(env != NULL);
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed\n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaRecorder(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaRecorder native registration failed\n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaScanner native registration failed\n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaMetadataRetriever(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaMetadataRetriever native registration failed\n");
goto bail;
}
/ success -- return valid version number /
result = JNI_VERSION_1_4;
bail:
return result;
}
此函數回傳JNI_VERSION_1_4值給VM，于是VM知道了其所使用的JNI版本了。此外，它也做了一些初期的動作(可呼叫任何本地函數)，例如指令：
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed\n");
goto bail;
}</pre> 
  
 
  
 就將此組件提供的各個本地函數(Native Function)登記到VM里，以便能加快后續呼叫本地函數的效率。 
  
 JNI_OnUnload()函數與JNI_OnLoad()相對應的。在載入C組件時會立即呼叫JNI_OnLoad()來進行組件內的初期動作；而當VM釋放該C組件時，則會呼叫JNI_OnUnload()函數來進行善后清除動作。當VM呼叫JNI_OnLoad()或JNI_Unload()函數時，都會將VM的指針(Pointer)傳遞給它們，其參數如下： 
  
 jint JNI_OnLoad(JavaVM vm, void reserved) { } 
  
 jint JNI_OnUnload(JavaVM vm, void reserved){ } 
  
 在JNI_OnLoad()函數里，就透過VM之指標而取得JNIEnv之指標值，并存入env指標變數里，如下述指令： 
  
 
  
jint JNI_OnLoad(JavaVM vm, void reserved){
JNIEnv env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void*) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
goto bail;
}
}</pre> 
  
 
  
 由于VM通常是多執行緒(Multi-threading)的執行環境。每一個執行緒在呼叫JNI_OnLoad()時，所傳遞進來的JNIEnv 指標值都是不同的。為了配合這種多執行緒的環境，C組件開發者在撰寫本地函數時，可藉由JNIEnv指標值之不同而避免執行緒的資料沖突問題，才能確保所寫的本地函數能安全地在Android的多執行緒VM里安全地執行。基于這個理由，當在呼叫C組件的函數時，都會將JNIEnv指標值傳遞給它，如下： 
  
 
  jint JNI_OnLoad(JavaVM vm, void reserved)
{
JNIEnv env = NULL;
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
}
}</pre> 
  
 
  
 這JNI_OnLoad()呼叫register_android_media_MediaPlayer(env)函數時，就將env指標值傳遞過去。如此，在register_android_media_MediaPlayer()函數就能藉由該指標值而區別不同的執行緒，以便化解資料沖突的問題。 
  
 例如，在register_android_media_MediaPlayer()函數里，可撰寫下述指令： 
  
 if ((env)->MonitorEnter(env, obj) != JNI_OK) { 
  
 } 
  
 查看是否已經有其他執行緒進入此物件，如果沒有，此執行緒就進入該物件里執行了。還有，也可撰寫下述指令： 
  
 if ((env)->MonitorExit(env, obj) != JNI_OK) { 
  
 } 
  
 查看是否此執行緒正在此物件內執行，如果是，此執行緒就會立即離開。 
  
 3.registerNativeMethods()函數的用途 
  
 應用層級的Java類別透過VM而呼叫到本地函數。一般是仰賴VM去尋找*.so里的本地函數。如果需要連續呼叫很多次，每次都需要尋找一遍，會多花許多時間。此時，組件開發者可以自行將本地函數向VM進行登記。例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so里的代碼段如下： 
  
 
  //#define LOG_NDEBUG 0
define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"
static JNINativeMethod gMethods[] = {
{"setDataSource", "(Ljava/lang/String;)V",
(void )android_media_MediaPlayer_setDataSource},
{"setDataSource", "(Ljava/io/FileDescriptor;JJ)V",
(void )android_media_MediaPlayer_setDataSourceFD},
{"prepare", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_prepare},
{"prepareAsync", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_prepareAsync},
{"_start", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_start},
{"_stop", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_stop},
{"getVideoWidth", "()I", (void )android_media_MediaPlayer_getVideoWidth},
{"getVideoHeight", "()I", (void )android_media_MediaPlayer_getVideoHeight},
{"seekTo", "(I)V", (void )android_media_MediaPlayer_seekTo},
{"_pause", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_pause},
{"isPlaying", "()Z", (void )android_media_MediaPlayer_isPlaying},
{"getCurrentPosition", "()I", (void )android_media_MediaPlayer_getCurrentPosition},
{"getDuration", "()I", (void )android_media_MediaPlayer_getDuration},
{"_release", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_release},
{"_reset", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_reset},
{"setAudioStreamType","(I)V", (void )android_media_MediaPlayer_setAudioStreamType},
{"setLooping", "(Z)V", (void )android_media_MediaPlayer_setLooping},
{"setVolume", "(FF)V", (void )android_media_MediaPlayer_setVolume},
{"getFrameAt", "(I)Landroid/graphics/Bitmap;",
(void )android_media_MediaPlayer_getFrameAt},
{"native_setup", "(Ljava/lang/Object;)V",
(void )android_media_MediaPlayer_native_setup},
{"native_finalize", "()V", (void )android_media_MediaPlayer_native_finalize},
};
static int register_android_media_MediaPlayer(JNIEnv env){
return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
"android/media/MediaPlayer", gMethods, NELEM(gMethods));
}
jint JNI_OnLoad(JavaVM vm, void reserved){
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed\n");
goto bail;
}
}</pre> 
  
 
  
 當VM載入libmedia_jni.so時，就呼叫JNI_OnLoad()函數。接著，JNI_OnLoad()呼叫 register_android_media_MediaPlayer()函數。此時，就呼叫到AndroidRuntime::registerNativeMethods()函數，向VM(即AndroidRuntime)登記gMethods[]表格所含的本地函數了。簡而言之，registerNativeMethods()函數的用途有二： 
  
 (1)更有效率去找到函數。 
  
 (2)可在執行期間進行抽換。由于gMethods[]是一個<名稱，函數指針>對照表，在程序執行時，可多次呼叫registerNativeMethods()函數來更換本地函數之指針，而達到彈性抽換本地函數之目的。 
  
 4.Andoird 中使用了一種不同傳統Java JNI的方式來定義其native的函數。其中很重要的區別是Andorid使用了一種Java 和 C 函數的映射表數組，并在其中描述了函數的參數和返回值。這個數組的類型是JNINativeMethod，定義如下： 
  
 
  
typedef struct {
const char* name; /*Java中函數的名字*/
const char* signature; /*描述了函數的參數和返回值*/
void* fnPtr; /*函數指針，指向C函數*/
} JNINativeMethod; 
  
 
  
 其中比較難以理解的是第二個參數，例如 
  
 "()V" 
  
 "(II)V" 
  
 "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V" 
  
 實際上這些字符是與函數的參數類型一一對應的。 
  
 "()" 中的字符表示參數，后面的則代表返回值。例如"()V" 就表示void Func(); 
  
 "(II)V" 表示 void Func(int, int); 
  
 具體的每一個字符的對應關系如下 
  
 字符 Java類型 C類型 
  
 V void void 
  
 Z jboolean boolean 
  
 I jint int 
  
 J jlong long 
  
 D jdouble double 
  
 F jfloat float 
  
 B jbyte byte 
  
 C jchar char 
  
 S jshort short 
  
 數組則以"["開始，用兩個字符表示 
  
 [I jintArray int[] 
  
 [F jfloatArray float[] 
  
 [B jbyteArray byte[] 
  
 [C jcharArray char[] 
  
 [S jshortArray short[] 
  
 [D jdoubleArray double[] 
  
 [J jlongArray long[] 
  
 [Z jbooleanArray boolean[] 
  
 上面的都是基本類型。如果Java函數的參數是class，則以"L"開頭，以";"結尾，中間是用"/" 隔開的包及類名。而其對應的C函數名的參數則為jobject. 一個例外是String類，其對應的類為jstring 
  
 Ljava/lang/String; String jstring 
  
 Ljava/net/Socket; Socket jobject 
  
 如果JAVA函數位于一個嵌入類，則用$作為類名間的分隔符。 
  
 例如 "(Ljava/lang/String;Landroid/os/FileUtils$FileStatus;)Z"

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