Android学习笔记--JNI的使用方法

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1、JNI是什么

JNI是Java Native Interface的缩写，它提供若干的API实现Java与其他语言之间的通信。而Android Framework由基于Java语言的的Java层与基于C/C++语言的C/C++层组成，每个层中的功能模块都是以有相应的语言编写，并且两层中的大部分模块有着千丝万缕的联系。而在两层之间充当连接桥梁这一角色的就是JNI，它允许Java代码和C/C++编写的应用程序与库之间进行交互；通常在以下几种情况下使用JNI

1、注重处理速度，C/C++的处理速度要优于Java语言

2、硬件控制，硬件驱动程序通常使用C语言编写，而要是Java层能够控制硬件，需要用到JNI

3、C/C++代码的复用，一些好的C/C++模块可以被多处复用

2、在Java中调用C库函数

下面以一个例子来说明在Java代码中调用C库函数的流程

1、编写Java代码

class HelloJNI {
    
    /*声明本地方法，该函数在C库中实现*/
    native void printHello();
    native void printString(String str);
    /*在静态块中加载C库，可以保证在main方法前加载完成*/
    static { System.loadLibrary("./hellojni"); }
    public static void main(String args[])
    {   
        HelloJNI myJNI = new HelloJNI();    
        /*调用C库中实现的函数*/
        myJNI.printHello();
        myJNI.printString("Hello world from printstring func");
    }   
}

在上述代码中使用native关键字声明本地方法，告诉Java编译器，此函数由其他语言编写；在静态块中加载hellojni库，该库由C语言实现，

如果是在Linux系统下则会加载libhellojni.so，如果在Windows系统下则会加载hellojni.dll;(本文以Linux系统为测试环境)

2、编译Java代码

 javac HelloJNI.java

编译Java代码很简单，只要配置好JDK就可以完成编译，需要注意的是此时编译通过，但如果运行的话，由于没有实现本地函数，所以会抛出找不到函数的异常

3、生成C头文件

当Java调用本地函数printHello或者printString时并非直接映射到C语言的printHello或者printString函数，而是有一套自己的映射方法，使用如下命令即可生成C函数的头文件

javap HelloJni

执行完成后生成HelloJni.h如下

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class HelloJNI */
#ifndef _Included_HelloJNI
#define _Included_HelloJNI
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     HelloJNI
 * Method:    printHello
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloJNI_printHello(JNIEnv *, jobject);
/*
 * Class:     HelloJNI
 * Method:    printString
 * Signature: (Ljava/lang/String;)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloJNI_printString(JNIEnv *, jobject, jstring);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

可以看到生成的函数原型并非与Java代码调用的函数一致，函数有JNIEXPORT和JNICALL两个关键字声明，这两个关键词是必须的，有了他们JNI才能正常调用函数；而通过观察函数名称，我们可以知道其命名方式是"Java_类名_本地方法名"; 再看参数，可知JNIEnv*和jobject是本地函数的共同参数，第一个参数是JNI接口的直接，用来调用JNI提供的基本函数集；第二个参数中保存着调用本地方法的对象的一个引用，上例中的jobject中保存的对象myJNI的引用，其他的参数根据Java代码的本地方法的调用生成的

4、编写C/C++代码

把上一步骤生成的HelloJni.h头文件include进来，实现其声明的函数即可，编写hellojni.c如下

#include "HelloJNI.h"
#include <stdio.h>
/*
 * Class:     HelloJNI
 * Method:    printHello
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloJNI_printHello(JNIEnv *env, jobject obj)
{
    printf("Hello World!\n");
    return;
}
/*
 * Class:     HelloJNI
 * Method:    printString
 * Signature: (Ljava/lang/String;)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloJNI_printString(JNIEnv *env, jobject obj, jstring string)
{
    /*JNI提供的基本函数集，将jstring转化成char *类型*/
    const char *str = (*env)->GetStringUTFChars(env, string, 0);
    printf("%s! \n" ,str);
    return ;
}

5、生成C动态链接库

gcc -fPIC -shared -o libhellojni.so hellojni.c -I$JAVA_HOME/include

其中JAVA_HOME已经配置到环境变量中，表示JDK安装的目录，需要指定其中的include目录使用jni.h头文件

6、运行Java程序

此时执行java HelloJni会提供找不到hellojni库，这是由于在加载C库的时候在默认目录中没有找到libhellojni.so库，只需将该库复制到/usr/lib/下再次执行

xlzh@cmos:~/code/jni/simpleJNI$ java HelloJNI 
Hello World!
Hello world from printstring func!

3、调用JNI函数

上图来自<Android框架揭秘>

由上图可知此示例程序有JniFuncMain类、JniTest类和libjnifunc.so(linux系统)组成，此示例有Java和C代码混合而成。

JniFuncMain类：

public class JniFuncMain
{
    private static int staticIntField = 300;
    /*加载libjnifunc.so库*/
    static { System.loadLibrary("jnifunc"); } 
    /*使用static关键字声明本地方法，再C库中实现*/
    public static native JniTest createJniObject();
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("[Java] createJniObject() call native method");    
        /*调用C库的createJniObject，得到JniTest对象，注意不是用new*/
        JniTest jniObj = createJniObject();
        /*利用JniTest对象调用JniTest中的方法*/
        jniObj.callTest();
    }
}

此例中与上例不同的是本地方法返回了一个JniTest类的对象的引用，这样就可以在JniFuncMain类中调用JniTest类的方法。

JniTest类

class JniTest {
    private int intField;
    public JniTest(int num)
    {   
        intField = num; 
        System.out.println("[Java] call JniTest: intFiled" + intField);
    }   
    public int callByNative(int num)
    {   
        System.out.println("[Java] JniTest 对象的 callByNative(" + num + ")调用");  
        return num;
    }   
    public void callTest()
    {   
        System.out.println("[Java] JniTest对象的callTest() 方法调用: intField = " + intField);  
    }   
}

JniTest类提供两个方法供JniFuncMain类和C库函数调用

JniFuncMain.h

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class JniFuncMain */
#ifndef _Included_JniFuncMain
#define _Included_JniFuncMain
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     JniFuncMain
 * Method:    createJniObject
 * Signature: ()LJniTest;
 */
JNIEXPORT jobject JNICALL Java_JniFuncMain_createJniObject
  (JNIEnv *, jclass);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

使用javah JniFuncMain生成头文件，需要注意的是第二个参数是jclass，而不是jobject，这是由于该本地方法在JniFuncMain类中声明的是static方法，所以第二个参数表示的该类的应用，而不需要对象的引用

jnifunc.cpp

#include "JniFuncMain.h"
JNIEXPORT jobject JNICALL Java_JniFuncMain_createJniObject(JNIEnv *env, jclass clazz)
{
    jclass targetClass;
    jmethodID mid;
    jobject newObject;
    jstring hellostr;
    jfieldID fid;
    jint staticIntField;
    jint result;
    /*获取JniFuncMain类的staticField变量值*/
    fid = env->GetStaticFieldID(clazz, "staticIntField", "I");
    staticIntField = env->GetStaticIntField(clazz, fid);
    printf("[CPP] 获取 JniFuncMain类的staticIntField 值\n");
    printf("    JniFuncMain.staticIntField = %d\n", staticIntField);
    /*查找生成对象的类*/
    targetClass = env->FindClass("JniTest");
    /*查找构造方法*/
    mid = env->GetMethodID(targetClass, "<init>", "(I)V");
    /*生成JniTest对象*/
    printf("[CPP] JniTest 对象生成 \n");
    newObject = env->NewObject(targetClass, mid, 100);
    /*调用对象的方法*/
    mid = env->GetMethodID(targetClass, "callByNative", "(I)I");
    result = env->CallIntMethod(newObject, mid, 200);
    /*设置JniObject对象的intField值*/
    fid = env->GetFieldID(targetClass, "intField", "I");
    printf("[CPP] 设置JniTest对象的intField值为200\n");
    env->SetIntField(newObject, fid, result);
    /*返回对象引用*/
    return newObject;
}

如果想在C代码中访问Java中的成员变量，就需要获取相应成员变量的ID值，成员变量的ID值保存在jfieldID类型的变量中；获取成员变量ID的JNI本地方法有两个，分别是

/* 获取Java中的静态成员变量ID
 * env      : JNI接口指针
 * clazz    : 包含成员变量的类的jclass
 * name     : 成员变量名称
 * signature: 成员变量签名
 */
jfield GetStaticFieldID(JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name, const char *signature);
/*获取Java中的普通成员变量ID*/
jfield GetFieldID(JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name, const char *signature);

上述示例中要访问Java类中的静态成员变量，所以需要使用GetStaticFieldID方法，其他参数很简单，直接使用即可，而对于变量的签名，则需要借助Java反编译器javap命令，如下所示

xlzh@cmos:~/code/jni/middleJNI$ javap -s -p JniFuncMain
Compiled from "JniFuncMain.java"
public class JniFuncMain {
  private static int staticIntField;
    Signature: I
  public JniFuncMain();
    Signature: ()V
  public static native JniTest createJniObject();
    Signature: ()LJniTest;
  public static void main(java.lang.String[]);
    Signature: ([Ljava/lang/String;)V
  static {};
    Signature: ()V
}

OK，我们得到了成员变量的ID，那么如何通过成员变量的ID来获取或者设置成员变量的值呢？就需要用到以下几个JNI函数

/*
 * 获取Java类中静态成员变量的值
 * <jnitype> jobject,jboolean,jbyte,jchar, jshort, jint, jlong, jfloat, jdouble
 * <type>    Object ,Boolean ,Byte,Char  , Short , Int,  Long , Float , Double
 * env:      JNI接口指针
 * jcalss:   包含成员变量的类
 * jfieldID: 成员变量ID
 */
<jnitype> GetStatic<type>Field(JNIEnv *env, jcalss jclazz, jfieldID fieldID)
/*
 * 获取Java类的对象中普通成员变量的值
 */
<jnitype> Get<type>Field(JNIEnv *env, jobject obj, jfieldID fieldID)
/*
 * 设置Java类中静态成员变量的值
 */
<jnitype> SetStatic<type>Field(JNIEnv *env, jcalss clazz, jfieldID fieldID, <type> value)
/*
 * 设置Java类的对象中普通成员变量的值
 */
<jnitype> Set<type>Field(JNIEnv *env, jobject obj,  jfieldID fieldID, <type> value)

与成员变量类似， 获取和调用类中方法的JNI函数原型如下

/*获取Java类静态方法的ID*/
jmethod GetStaticMethodID(JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name, const char *signature)
/*获取Java类的对象中普通方法的ID*/
jmethod GetMethodID(JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name, const char *signature)
/*调用Java类中的静态方法*/
 <jnitype> CallStatic<type>Method(JNIEnv *env, jclass clazz, jmethod methodID, ...)
/*调用Java类的对象中的普通方法*/
 <jnitype> Call<type>Method(JNIEnv *env, jobject obj, jmethod methodID, ...)

如何获取Java类的对象呢？以示例中获取JniTest类的对象代码例，分为三步

1、获取JniTest的类

2、获取JniTest类的构造方法ID

3、通过构造方法的ID调用和JniTest类使用NeoObject方法生成对象

对比上例中获取JniTest的对象流程，可以很清楚的进行对照

4、在C代码中运行Java类

Java类编译的字节码需要在Java虚拟机上运行，那么在C/C++中运行Java类自然也需要加载Java虚拟机；JNI为我们提供了一套Invocation API，它允许本地代码在自身内存区域内加载Java虚拟机，同样我们以实例的方式进行讲解

InvocationApiTest.java

public class InvocationApiTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(args[]0);
    }
}

invocationApi.c

#include <jni.h>
int main(void)
{
    JNIEnv *env;
    JavaVM *vm;
    JavaVMInitArgs vm_args;
    JavaVMOption options[1];
    jint res;
    jclass cls;
    jmethodID mid;
    jstring jstr;
    jclass stringClass;
    jobjectArray args;
    /*加载虚拟机选项*/
    options[0].optionString = "-Djava.class.path=.";
    vm_args.version = JNI_VERSION_1_6;
    vm_args.options = options;
    vm_args.nOptions = 1;
    vm_args.ignoreUnrecognized = JNI_TRUE;
    /*生成虚拟机*/
    res = JNI_CreateJavaVM(&vm, (void**)&env, &vm_args);
    /*查找并加载类*/
    cls = (*env)->FindClass(env, "InvocationApiTest");
    /*获取main()方法的ID*/
    mid = (*env)->GetStaticMethodID(env, cls, "main", "([Ljava/lang/String;)V");
    /*生成字符串对象*/
    jstr = (*env)->NewStringUTF(env, "Hello Invocation API!!");
    stringClass = (*env)->FindClass(env, "java/lang/String");
    args = (*env)->NewObjectArray(env, 1, stringClass, jstr);
    
    /*调用main()方法*/
    (*env)->CallStaticVoidMethod(env, cls, mid, args);
    /*销毁虚拟机*/
    (*vm)->DestroyJavaVM(vm);
}

编译允许结果如下

xlzh@cmos:~/code/jni/superJNI$ javac InvocationApiTest.java 
xlzh@cmos:~/code/jni/superJNI$ sudo echo "/usr/lib/jvm/java-1.7.0-openjdk-amd64/jre/lib/amd64/jamvm" >> /etc/ld.so.conf
xlzh@cmos:~/code/jni/superJNI$ sudo ldconfig
xlzh@cmos:~/code/jni/superJNI$ gcc -o a.out invocationApi.c -I$JAVA_HOME/include -L$JAVA_HOME/jre/lib/amd64/jamvm/ -ljvm
xlzh@cmos:~/code/jni/superJNI$ ./a.out 
Hello Invocation API!!
xlzh@cmos:~/code/jni/superJNI$ 

Android学习笔记--JNI的使用方法

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