Android平台Native开发与JNI机制详解

Java Native Interface（JNI）是Java提供的一个很重要的特性。它使得用诸如C/C++等语言编写的代码可以与运行于Java虚拟机（JVM）中的 Java代码集成。有些时候，Java并不能满足你的全部开发需求，比如你希望提高某些关键模块的效率，或者你必须使用某个以C/C++等Native语 言编写的程序库；此时，JNI就能满足你在Java代码中访问这些Native模块的需求。JNI的出现使得开发者既可以利用Java语言跨平台、类库丰 富、开发便捷等特点，又可以利用Native语言的高效。

 

 

图1 JNI与JVM的关系

 

 

实际上，JNI是JVM实现中的一部分，因此Native语言和Java代码都运行在JVM的宿主环境（Host Environment），正如图1所示。此外，JNI是一个双向的接口：开发者不仅可以通过JNI在Java代码中访问Native模块，还可以在 Native代码中嵌入一个JVM，并通过JNI访问运行于其中的Java模块。可见，JNI担任了一个桥梁的角色，它将JVM与Native模块联系起 来，从而实现了Java代码与Native代码的互访。在OPhone上使用Java虚拟机是为嵌入式设备特别优化的Dalvik虚拟机。每启动一个应 用，系统会建立一个新的进程运行一个Dalvik虚拟机，因此各应用实际上是运行在各自的VM中的。Dalvik VM对JNI的规范支持的较全面，对于从JDK 1.2到JDK 1.6补充的增强功能也基本都能支持。

开发者在使用JNI之前需要充分了解其优缺点，以便合理选择技术方案实现目标。JNI的优点前面已经讲过，这里不再重复，其缺点也 是显而易见的：由于Native模块的使用，Java代码会丧失其原有的跨平台性和类型安全等特性。此外，在JNI应用中，Java代码与Native代 码运行于同一个进程空间内；对于跨进程甚至跨宿主环境的Java与Native间通信的需求，可以考虑采用socket、Web Service等IPC通信机制来实现。

 

正如我们在上一节所述，JNI是一个双向的接口，所以交互的类型可以分为在Java代码中调用Native模块和在Native代码中调用Java模块两种。下面，我们就使用一个Hello-JNI的示例来分别对这两种交互方式的开发要点加以说明。

 

Hello-JNI这个示例的结构很简单：首先我们使用Eclipse新建一个OPhone应用的Java工程，并添加一个 com.example.hellojni.HelloJni的类。这个类实际上是一个Activity，稍后我们会创建一个TextView，并显示一 些文字在上面。

要在Java代码中使用Native模块，必须先对Native函数进行声明。在我们的例子中，打开HelloJni.java文件，可以看到如下的声明：

 

  

从上述声明中我们可以知道，这个stringFromJNI()函数就是要在Java代码中调用的Native函数。接下来我们要创建一个hello-jni.c的C文件，内容很简单，只有如下一个函数：

 

 

从函数名可以看出，这个Native函数对应的正是我们在com.example.hellojni.HelloJni这个中声明的Native函数String stringFromJNI()的具体实现。

 

从上面Native函数的命名上我们可以了解到JNI函数的命名规则： Java代码中的函数声明需要添加native 关键 字；Native的对应函数名要以“Java_”开头，后面依次跟上Java的“package名”、“class名”、“函数名”，中间以下划线“_” 分割，在package名中的“.”也要改为“_”。此外，关于函数的参数和返回值也有相应的规则。对于Java中的基本类型如int 、double 、char 等，在Native端都有相对应的类型来表示，如jint 、jdouble 、jchar 等；其他的对象类型则统统由jobject 来表示（String 是个例外，由于其使用广泛，故在Native代码中有jstring 这个类型来表示，正如在上例中返回值String 对应到Native代码中的返回值jstring ）。而对于Java中的数组，在Native中由jarray 对应，具体到基本类型和一般对象类型的数组则有jintArray 等和jobjectArray 分别对应（String 数组在这里没有例外，同样用jobjectArray 表示）。还有一点需要注意的是，在JNI的Native函数中，其前两个参数JNIEnv *和jobject 是必需的——前者是一个JNIEnv 结构体的指针，这个结构体中定义了很多JNI的接口函数指针，使开发者可以使用JNI所定义的接口功能；后者指代的是调用这个JNI函数的Java对象，有点类似于C++中的this 指针。在上述两个参数之后，还需要根据Java端的函数声明依次对应添加参数。在上例中，Java中声明的JNI函数没有参数，则Native的对应函数只有类型为JNIEnv *和jobject 的两个参数。

 

当然，要使用JNI函数，还需要先加载Native代码编译出来的动态库文件（在Windows上是.dll，在Linux上则为.so）。这个动作是通过如下语句完成的：

 

 

注意这里调用的共享库名遵循Linux对库文件的命名惯例，因为OPhone的核心实际上是Linux系统——上例中，实际加载的库文件应为 “libhello-jni.so”，在引用时遵循命名惯例，不带“lib”前缀和“.so”的扩展名。对于没有按照上述惯例命名的Native库，在加 载时仍需要写成完整的文件名。

 

JNI函数的使用方法和普通Java函数一样。在本例中，调用代码如下：

 

 

就可以在TextView中显示出来自于Native函数的字符串。怎么样，是不是很简单呢？

 

从OPhone的系统架构来看，JVM和Native系统库位于内核之上，构成OPhone Runtime；更多的系统功能则是通过在其上的Application Framework以Java API的形式提供的。因此，如果希望在Native库中调用某些系统功能，就需要通过JNI来访问Application Framework提供的API。

 

JNI规范定义了一系列在Native代码中访问Java对象及其成员与方法的API。下面我们还是通过示例来具体讲解。首先，新建一个SayHello 的类，代码如下：

 

 

接下来要实现的就是在Native代码中调用这个SayHello 类中的sayHelloFromJava方法。

 

一般来说，要在Native代码中访问Java对象，有如下几个步骤：

1.         得到该Java对象的类定义。JNI定义了jclass 这个类型来表示Java的类的定义，并提供了FindClass接口，根据类的完整的包路径即可得到其jclass 。

2.         根据jclass 创建相应的对象实体，即jobject 。在Java中，创建一个新对象只需要使用new 关键字即可，但在Native代码中创建一个对象则需要两步：首先通过JNI接口GetMethodID得到该类的构造函数，然后利用NewObject接口构造出该类的一个实例对象。

3.         访问jobject 中的成员变量或方法。访问对象的方法是先得到方法的Method ID，然后使用Call<Type>Method 接口调用，这里Type对应相应方法的返回值——返回值为基本类型的都有相对应的接口，如CallIntMethod；其他的返回值（包括String） 则为CallObjectMethod。可以看出，创建对象实质上是调用对象的一个特殊方法，即构造函数。访问成员变量的步骤一样：首先 GetFieldID得到成员变量的ID，然后Get/Set<Type>Field读/写变量值。

 

上面概要介绍了从Native代码中访问Java对象的过程，下面我们结合示例来具体看一下。如下是调用sayHelloFromJava方法的Native代码：

 

 

 

可以看到，上述代码和前面讲到的步骤完全相符。这里提一下编程时要注意的要点：1、FindClass要写明Java类的完整包路径，并将 “.”以“/”替换；2、GetMethodID的第三个参数是方法名（对于构造函数一律用“<init>”表示），第四个参数是方法的“签 名”，需要用一个字符串序列表示方法的参数（依声明顺序）和返回值信息。由于篇幅所限，这里不再具体说明如何根据方法的声明构造相应的“签名”，请参考 JNI的相关文档。

 

关于上面谈到的步骤再补充说明一下：在JNI规范中，如上这种使用NewObject创建的对象实例被称为“Local Reference”，它仅在创建它的Native代码作用域内有效，因此应避免在作用域外使用该实例及任何指向它的指针。如果希望创建的对象实例在作用 域外也能使用，则需要使用NewGlobalRef接口将其提升为“Global Reference”——需要注意的是，当Global Reference不再使用后，需要显式的释放，以便通知JVM进行垃圾收集。

 

 

通过前面的介绍，我们已经大致了解了在OPhone的应用开发中使用JNI的方法。那么，开发者如何编译出能在OPhone上使用的Native模块呢？编译出的Native模块又如何像APK文件那样分发、安装呢？

 

Google于2009年6月底发布了Android NDK的第一个版本，为广大开发者提供了编译用于Android应用的Native模块的能力，以及将Native模块随Java应用打包为APK文件， 以便分发和安装的整套解决方案。NDK的全称是Native Development Toolkit，即原生应用开发包。由于OPhone平台也基于Android，因此使用Android NDK编译的原生应用或组件完全可以用于OPhone。需要注意的是，Google声称此次发布的NDK仅兼容于Android 1.5及以后的版本，由于OPhone 1.0平台基于Android 1.5之前的版本，虽然不排除使用该NDK开发的原生应用或组件在OPhone 1.0平台上正常运行的可能性，但建议开发者仅在OPhone 1.5及以上的平台使用。

 

最新版本的NDK可以在http://developer.android.com/sdk/ndk/index.html 下载。NDK提供了适用于Windows、Linux和MAC OS X的版本，开发者可以根据自己的操作系统下载相应的版本。本文仅使用基于Linux的NDK版本做介绍和演示。

 

NDK的安装很简单：解压到某个路径下即可，之后可以看到若干目录。其中docs目录中包含了比较详细的文档，可供开发者参考，在NDK根目录 下的README.TXT也对个别重要文档进行了介绍；build目录则包含了用于Android设备的交叉编译器和相关工具，以及一组系统头文件和系统 库，其中包括libc、libm、libz、liblog（用于Android设备log输出）、JNI接口及一个C++标准库的子集（所谓“子集”是指 Android对C++支持有限，如不支持Exception及STL等）；apps目录是用于应用开发的目录，out目录则用于编译中间结果的存储。接 下来，我们就用前面的例子简单讲解一下NDK的使用。

 

进入<ndk>/apps目录，我们可以看到一些示例应用，以hello-jni为例：在hello-jni目录中有一个 Application.mk文件和一个project文件夹，project文件夹中则是一个OPhone Java应用所有的工程文件，其中jni目录就是Native代码放置的位置。这里Application.mk主要用于告诉编译器应用所需要用到的 Native模块有什么，对于一般开发在示例提供的文件的基础上进行修改即可；如果需要了解更多，可参考<ndk>/docs /APPLICATION-MK.txt。接下来，我们将示例文件与代码如图2放置到相应的位置：

 

 

 

图2 Hello-JNI示例的代码结构

 

可以看到，和Java应用一样，Native模块也需要使用Android.mk文件设置编译选项和参数，但内容有较大不同。对于Native模块而言，一般需要了解如下几类标签：

 

1.         LOCAL_MODULE：定义了在整个编译环境中的各个模块， 其名字应当是唯一的。此外，这里设置的模块名称还将作为编译出来的文件名：对于原生可执行文件，文件名即为模块名称；对于静态/动态库文件，文件名为 lib+模块名称。例如hello-jni的模块名称为“hello-jni”，则编译出来的动态库就是libhello-jni.so。

2.         LOCAL_SRC_FILES：这里要列出所有需要编译的C/C++源文件，以空格或制表符分隔；如需换行，可放置“\”符号在行尾，这和GNU Makefile的规则是一致的。

3.         LOCAL_CFLAGS：定义gcc编译时的CFLAGS参数，与GNU Makefile的规则一致。比如，用-I参数可指定编译所需引用的某个路径下的头文件。

4.         LOCAL_C_INCLUDES：指定自定义的头文件路径。

5.         LOCAL_SHARED_LIBRARIES：定义链接时所需要的共享库文件。这里要链接的共享库并不限于NDK编译环境中定义的所有模块。如果需要引用其他的库文件，也可在此处指定。

6.         LOCAL_STATIC_LIBRARIES：和上个标签类似，指定需要链接的静态库文件。需要注意的是这个选项只有在编译动态库的时候才有意义。

7.         LOCAL_LDLIBS：定义链接时需要引入的系统库。使用时需要加-l前缀，例如-lz指的是在加载时链接libz这个系统库。libc、libm和libstdc++是编译系统默认会链接的，无需在此标签中指定。

 

欲了解更多关于标签类型及各类标签的信息，可参考<ndk>/docs/ANDROID-MK.txt文件，其中详细描述了Android.mk中各个标签的含义与用法。如下给出的就是我们的示例所用的Android.mk：

 

 

 

 

写好了代码和Makefile，接下来就是编译了。使用NDK进行编译也很简单：首先从命令行进入<ndk>目录，执 行./build/host-setup.sh，当打印出“Host setup complete.”的文字时，编译环境的设置就完成了。这里开发者需要注意的是，如果使用的Linux发行版是Debian或者Ubuntu，需要通过 在<ndk>目录下执行bash build/host-setup.sh，因为上述两个发行版使用的dash shell与脚本有兼容问题。接下来，输入make APP=hello-jni，稍等片刻即完成编译，如图3所示。从图中可以看到，在编译完成后，NDK会自动将编译出来的共享库拷贝到Java工程的 libs/armeabi目录下。当编译Java工程的时候，相应的共享库会被一同打包到apk文件中。在应用安装时，被打包在libs/armeabi 目录中的共享库会被自动拷贝到/data/data/com.example.HelloJni/lib/目录；当System.loadLibrary 被调用时，系统就可以在上述目录寻找到所需的库文件libhello-jni.so。如果实际的Java工程不在这里，也可以手动在Java工程下创建 libs/armeabi目录，并将编译出来的so库文件拷贝过去。

 

 

图3 使用NDK编译Hello-JNI

 

 

最后，将Java工程连带库文件一同编译并在OPhone模拟器中运行，结果如图4所示。

 

通过上面的介绍，你应该已经对OPhone上的Native开发有了初步了解，或许也已经跃跃欲试了。事实上，尽管Native开发在 OPhone上不具有Java语言的类型安全、兼容性好、易于调试等特性，也无法直接享受平台提供的丰富的API，但JNI还是为我们提供了更多的选择， 使我们可以利用原生应用的优势来做对性能要求高的操作，也可以利用或移植C/C++领域现有的众多功能强大的类库或应用，为开发者提供了充分的施展空间。 这就是OPhone的魅力！

 

 

图4 Hello-JNI在OPhone模拟器上的运行结果