Android JNI开发指南：原理剖析与实践要点 #

引言 #

JNI(Java Native Interface)是Android开发中连接Java和Native代码的桥梁。本文将深入探讨JNI的核心概念和关键技术点，帮助开发者更好地理解和使用这一重要技术。

Java 线程与 Native(OS) 线程的区别 #

联系： Java 线程其实是一层 OS 线程的封装，本质上就是 OS 线程。【以前版本的 Java 线程不是 OS 线程，是 JVM 构造的用户态线程 (Green Thread)，不能充分利用 CPU，后期已经更改为使用 OS 线程实现。】【参考 https://mp.weixin.qq.com/s/Gxqnf5vjyaI8eSYejm7zeQ】

区别：

Java 线程可以直接拿到 JNIEnv，OS 线程需要先 attach 到 JVM，才可以拿到 JNIEnv。【个人理解区别在于是否 attach 了 JVM】

jint AttachCurrentThread(JavaVM *vm, void **p_env, void *thr_args);

Java 线程可以 FindClass 成功，OS 线程则 FindClass 失败，原因是两者的 ClassLoader 不同，OS 线程 AttachCurrentThread 后持有的 ClassLoader 是系统的 ClassLoader，如果想要 FindClass 成功，需要在 JNI_Onload 时获取一份当前库的 ClassLoader 保存起来，下次 FindClass 时使用此 ClassLoader 去操作。

static jobject g_class_loader = NULL;
static jmethodID g_find_class_method = NULL;

void on_load() {
    JNIEnv *env = get_jni_env();
    if (!env) {
        return;
    }
    jclass capture_class = (*env)->FindClass(env, "com/captureandroid/BMMCaptureEngine");
    jclass class_class = (*env)->GetObjectClass(env, capture_class);
    jclass class_loader_class = (*env)->FindClass(env, "java/lang/ClassLoader");
    jmethodID class_loader_mid = (*env)->GetMethodID(env, class_class, "getClassLoader", "()Ljava/lang/ClassLoader;");
    jobject local_class_loader = (*env)->CallObjectMethod(env, capture_class, class_loader_mid);
    g_class_loader = (*env)->NewGlobalRef(env, local_class_loader);
    g_find_class_method = (*env)->GetMethodID(env, class_loader_class, "findClass", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Class;");
}

jclass find_class(const char *name) {
    JNIEnv *env = bmm_util_get_jni_env();
    if (!env) {
        return NULL;
    }
    jclass ret = (*env)->FindClass(env, name);
    jthrowable exception = (*env)->ExceptionOccurred(env);
    if (exception) {
        (*env)->ExceptionClear(env);
        jstring name_str = (*env)->NewStringUTF(env, name);
        ret = (jclass)(*env)->CallObjectMethod(env, g_class_loader, g_find_class_method, name_str);
        (*env)->DeleteLocalRef(env, name_str);
    }
    return ret;
}

JNI 的作用 #

贴出别人翻译的【官方文档 https://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/jni/spec/design.html#wp16696】的一段话：

JNI 最重要的设计目标就是在不同操作系统上的 JVM 之间提供二进制兼容，做到一个本地库不需要重新编译就可以运行不同的系统的 JVM 上面。为了达到这一点儿，JNI 设计时不能关心 JVM 的内部实现，因为 JVM 的内部实现机制在不断地变，而我们必须保持 JNI 接口的稳定。JNI 的第二个设计目标就是高效。我们可能会看到，有时为了满足第一个目标，可能需要牺牲一点儿效率，因此，我们需要在平台无关和效率之间做一些选择。最后，JNI 必须是一个完整的体系。它必须提供足够多的 JVM 功能让本地程序完成一些有用的任务。JNI 不能只针对一款特定的 JVM，而是要提供一系列标准的接口让程序员可以把他们的本地代码库加载到不同的 JVM 中去。有时，调用特定 JVM 下实现的接口可以提供效率，但更多的情况下，我们需要用更通用的接口来解决问题。

JNIEnv 和 JavaVM #

就是个函数指针。

下图是 JNIEnv 的指针结构：

JNIEnv 其实是一个指向本地线程数据的接口指针，指针里面包含指向函数接口的指针，每一个接口函数在这表中都有一个预定义的偏移位置，类似 C++ 虚函数表。

代码如下：

typedef const struct JNINativeInterface *JNIEnv;

struct JNINativeInterface {
    void*       reserved0;
    void*       reserved1;
    void*       reserved2;
    void*       reserved3;

    jint        (*GetVersion)(JNIEnv *);

    jclass      (*DefineClass)(JNIEnv*, const char*, jobject, const jbyte*, jsize);
    jclass      (*FindClass)(JNIEnv*, const char*);
    jobject     (*AllocObject)(JNIEnv*, jclass);
    jobject     (*NewObject)(JNIEnv*, jclass, jmethodID, ...);
    jobject     (*NewObjectV)(JNIEnv*, jclass, jmethodID, va_list);
    jobject     (*NewObjectA)(JNIEnv*, jclass, jmethodID, const jvalue*);
    ...
};

JavaVM 类似

struct JNIInvokeInterface {
    void*       reserved0;
    void*       reserved1;
    void*       reserved2;

    jint        (*DestroyJavaVM)(JavaVM*);
    jint        (*AttachCurrentThread)(JavaVM*, JNIEnv**, void*);
    jint        (*DetachCurrentThread)(JavaVM*);
    jint        (*GetEnv)(JavaVM*, void**, jint);
    jint        (*AttachCurrentThreadAsDaemon)(JavaVM*, JNIEnv**, void*);
};

typedef const struct JNIInvokeInterface* JavaVM;

知识点 1 #

为什么使用函数表而不是写死某些函数项？

可将 JNI 命名空间与本地代码分离，一个虚拟机可以提供多个版本的 JNI 函数表，用于不同场景。例如，虚拟机可支持两种 JNI 函数表：

一个用于调试，做较多的错误检查。
一个用于发布，做较少的错误检查，更高效。

知识点 2 #

JNIEnv 是 thread-local，只在当前线程有效，Native 方法不能将 JNIenv 从当前线程传递到另一个线程。不能跨线程使用 JNIEnv【至于 JNIEnv 为什么设计成 thread-local，没搞明白】

知识点 3 #

线程间虽然不共享 JNIEnv，但是共享 JavaVM，然后可以通过 GetEnv 获取到当前线程的 JNIEnv。

jint GetEnv(JavaVM *vm, void **env, jint version);

知识点 4 #

Native 方法接收 JNI 接口指针作为参数。虚拟机保证在同一个线程传入 Native 方法的是相同的 JNIEnv。如果不同线程调用 Native 方法，传入他们的 JNIEnv 不同。但 JNIEnv 间接指向的函数表在多个线程间是共享的。

知识点 5 #

为什么在 C 语言中调用 Native 方法需要将 JNIEnv 当作参数传递，而 C++ 中却不需要？

// C 语言
jstring model_path = (*env)->NewStringUTF(env, path);

// C++
jstring model_path = env->NewStringUTF(path);

前面列出的 JNIEnv 是 C 语言形式，Java 还单独为 C++ 封装了一层 JNIEnv，简化版代码：

struct _JNIEnv {    
    /* do not rename this; it does not seem to be entirely opaque */    
    const struct JNINativeInterface* functions;

#if defined(__cplusplus)    
    jint GetVersion(){ return functions->GetVersion(this); }    
    jclass FindClass(const char* name){ return functions->FindClass(this, name); }#endif
}

其实本质上还是调用的 C 语言那种形式的接口。

JNI 中数据如何传递 #

这里不详细介绍了，大体就是 int，float 这种基本类型采用拷贝，对象和 byte 数组等使用引用形式，所以其实 Java 层的 byte 字节流数据传到 Native 层基本不耗时，不会发生拷贝【但是 Native 层如果想使用持有这块数据，那就得自己拷贝一份了】。

还有些 GlobalReference、LocalReference 以及为什么要 Delete LocalReference 的这类知识点，这些比较基础，就不介绍了，估计大家也都懂。