Android框架層基礎JNI
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正文
1 JNI在Android系統中所處的位置
JNI在Android系統中所處的位置如圖所示
圖片來源於51CTO.com
注意JNI與NDK的區別：NDK是為了便於開發基於JNI的應用而提供的一套開發和編譯工具集，而JNI則是一套編程介面，可以運用在應用層，也可以運用在應用框架層，以實現Java與本地代碼的互操作。
JNI編程模型的結構可以概括為以下三個步驟：
* Java層聲明native方法
* JNI層實現Java層聲明的native方法，在JNI層可以調用底層庫或者回調Java層方法。這部分將被編譯為動態庫（so文件）供系統載入
* 載入JNI層代碼編譯後生成的共享庫
2 JNI框架層實例分析
2.1 Log系統Java層分析
Log系統Java層中Log.java文件中定義了兩個native方法
2.2 Log系統的JNI層
打開android_util_Log.cpp文件
JNI層的實現方法只是根據一定的規則與Java層聲明的方法做了一個映射，然後通過調用本地塊函數或者JNIEnv提供的JNI函數響應Java層的調用
2.3 Log系統的JNI方法註冊
定位到android_util_Log.cpp的源碼
GMethods用來存儲JNINativeMethod類型的數據
JNINativeMethod是一個結構體類型，保存了Java層聲明函數和JNI實現函數的一一對應的關係。
可是如何告訴虛擬機這種對應的關係？我們繼續看android_util_Log.cpp中的register_android_util_Log函數
這裡我們來解析兩個問題
* registerMethods函數的作用是什麼？
定位到函數內部
在JNIHelp.h和JNIHelp.cpp中找到函數jniRegisterNativeMethods的實現
這裡最終調用了JNIEnv的RegisterNatives函數，將gMethods中存儲的方法關聯信息傳遞給虛擬機。其作用就是向clazz參數指定的類註冊本地方法，這樣虛擬機就得到了Java層和JNI層之間的對應關係，就可以實現Java和C/C++代碼的互操作了
* register_android_util_Log函數是在哪調用的
這個函數是在系統啟動過程中通過AndroidRuntime.cpp的register_jni_procs方法執行的，進而調用到register_android_util_Log函數將這種映射關係註冊給Dalvik虛擬機
建立Java層聲明函數和JNI層實現函數之間的對應關係有兩種方式
* 遵守JNI方法命名規範
* 採用函數註冊方式
應用層多採用第一種，框架層多採用第二種。
3 JNIEnv介紹
我們先看看JNIEnv的體系結構
從圖中我們可以看出JNIEnv首先指向一個線程相關的結構，該結構又指向一個指針數組，在這個指針數組中每一個元素最終又指向一個JNI函數，所有可以通過JNIEnv去調用JNI函數。JNIEnv是一個線程相關的結構體, 該結構體代表了 Java 在本線程的運行環境
JavaVM和JNIEnv的關係
* JavaVM是Java虛擬機在JNI層的代表，JNI全局只有一個
* JNIEnv是一個線程相關的結構體，每個線程都有一個，JNI中可能有多個
相關源碼就不看了，我們直接給出結論
* 在C++中：JNIEnv就是struct _JNIEnv，JNIEnv * env等價於struct _JNIEnv * env，在調用JNI函數的時候，只需要env->FindClass就會直接調用JNINativeInterface結構體里定義的函數指針，而無需首先對env解引用
* 在C中：JNIEnv就是const struct JNINativeInterface * ，JNIEnv * env實際上等價於const struct JNINativeInterface* env，因此要得到JNINativeInterface結構體內的函數指針就必須先對env解引用得到(env)，即const struct JNINativeInterface，這個指針才是真正指向JNINativeInterface結構體的指針，然後再通過它調用具體的JNI函數，因此需要(env)->FindClass這樣調用
注意：
JNIEnv只在當前線程中有效。本地方法不能講JNIEnv從一個線程傳遞到另一個線程，相同的Java線程對本地方法多次調用時傳遞的JNIEnv是相同的。但是一個本地方法可以被不同的Java線程調用，因此可以接受不同的JNIEnv
4 JNI規範
4.1 Java數據類型和JNI數據類型轉換
基本數據類型轉換
引用數據類型轉換
4.2 JNI方法命名規則
JNI方法由以下幾個部分組成：
* 前綴： Java_
* 類的全限定名，用下劃線進行分隔（_）：com_lms_jni_JniTest
* 方法名：getTestString
* jni函數指定第一個參數： JNIEnv *
* jni函數指定第二個參數： jobject
* 實際Java參數： jstring, jint ….
* 返回值的參數 : jstring, jint….
如果採用函數註冊的方式，可以不遵守上述規則
4.3 JNI方法簽名規則
JNI的簽名規則如下：
(參數1類型簽名參數2類型簽名···參數n類型簽名)返回值類型簽名
注意：中間沒有任何符號
注意：類的簽名規則是：」L+全限定類名+;」，其中全限定類名由」/」分隔。例如
其方法簽名為：(ILjava/lang/String;[I)J
5 JNI操作Java對象
5.1 訪問Java對象
JNI提供的類和對象操作的方法有很多，常用的有兩個：FindClass和GetObjectClass，在C和C++中有不同的函數原型：
* C++：
* C:
我們看看Log系統是如何操作Java對象的
5.2 操作成員變數和方法
我們還是來看看Log系統是如何操作成員變數的
首先通過FindClass找到android/util/Log的類信息clazz，然後以clazz為參數調用GetStaticFieldId(clazz, 「DEBUG」, 「I」)，其函數原型如下：
jfieldId GetStaticFieldId(jclass clazz, const char * name, const char * sig);
最後將返回的jfieldId傳遞給GetStaticIntField方法得到android/util/Log.java的成員變數DEBUG的值
JNI操Java層的方法類似，流程是 ：
FindClass->GetMethodId->返回jMethodId->CallMethod
5.3 全局引用、弱全局引用、局部引用
局部引用：可以增加引用計數，作用範圍為本線程，生命周期為一次Native調用。局部引用包括多數JNI函數創建的引用，Native方法返回值和參數。局部引用只在創建它的Native方法的線程中有效，並且只在Native方法的一次調用中有效，在該方法返回後，被虛擬機回收（不同於C中的局部變數，返回後會立即回收）。
全局引用：可以增加引用計數。作用範圍為多線程，多個Native方法，生命周期到顯式釋放。全局引用通過JNI函數NewGlobalRef創建，並通過DeleteGlobalRef釋放。如果程序員不顯式釋放，將永遠不會被垃圾回收。
弱全局引用：不能增加引用計數。作用範圍為多線程，多個Native方法，生命周期到顯式釋放。不過其對應的Java對象生命周期依然取決於虛擬機，意思是即便弱全局引用沒有被釋放，其引用的Java對象可能已經被釋放。弱全局引用通過JNI函數NewWeakGlobalRef創建，並通過DeleteWeakGlobalRef釋放。弱全局引用的優點是：既可以保存對象，又不會阻止該對象被回收。
註：本文參考《Android設計與實現卷I（楊雲君）》
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