JNI程式設計基礎（一）

jni-java native interface，是java平台提供的一個特性，通過編寫jni函數實作java代碼調用c/c++代碼以及c/c++代碼調用java代碼的作用。進而達到利用不同語言的特點。為什麼需要在java中調用c/c++代碼，在我看來最主要有以下三點：

c/c++代碼相比java有着更高的性能

c/c++代碼更難被反編譯，有更好的安全性

通過jni函數可以繞開jvm的限制，完成一些在java層面實作不了的功能。典型的例子就是android熱修複架構andfix

既然要實作c/c++和java代碼之間的互動，那麼jvm就必須提供一整套的機制來實作互相之間的轉換，具體來說涉及到以下三個方面：

jni函數的注冊

jni層面和java層面的資料結構對照

描述符－用于描述類名或者資料類型

1.jni函數的注冊

所謂jni函數的注冊就是jvm能夠準确的找到對應的jni函數，并将其連結到主程式。注冊分為動态注冊和靜态注冊，接下來通過一個例子來說明如何實作jni函數的靜态和動态注冊。

1.例子

這是一個普通的java類，類中申明了兩個native函數，dynamiclog和staticlog。native關鍵字告訴jvm，兩個函數是通過jni實作的，那麼在哪裡去找這兩個函數jni實作呢？注意，在這個類初始化的時候加載一個庫叫做main。沒錯，jvm就是會去main（如果是linux平台，這個庫就是libmain.so）這個庫中去找對應的函數。對應的c++代碼如下：

這裡引用了兩個頭檔案，jni.h和mylog.h，其中jni.h是定義

1.靜态注冊

在上面的代碼中看到了jniexport和jnicall關鍵字，這兩個關鍵字是兩個宏定義，他主要的作用就是說明該函數為jni函數，在java虛拟機加載的時候會連結對應的native方法，在androidjni.java的類中聲明了staticlog()為native方法，他對應的jni函數就是java_com_github_songnick_jni_androidjni_staticlog(),那麼是怎麼連結的呢，在java虛拟機加載so庫時，如果發現含有上面兩個宏定義的函數時就會連結到對應java層的native方法，那麼怎麼知道對應java中的哪個類的哪個native方法呢，我們仔細觀察jni函數名的構成其實是：java_pkgname_classname_nativemethodname，以java為字首，并且用“_”下劃線将包名、類名以及native方法名連接配接起來就是對應的jni函數了。一般情況下我們可以自己手動的去按照這個規則寫，但是如果native方法特别多，那麼還是有一定的工作量，并且在寫的過程中不小心就有可能寫錯，其實java給我們提供了javah的工具幫助生成相應的頭檔案。在生成的頭檔案中就是按照上面說的規則生成了對應的jni函數，我們在開發的時候直接copy過去就可以了。這裡上面的代碼為例，在androidstudio中編譯後，進入項目的目錄app/build/intermediates/classes/debug下，運作如下指令：

這裡-d指定生成.h檔案存放的目錄(如果沒有就會自動建立)，com.github.songnick.jni.androidjni表示指定目錄下的class檔案。這裡簡單介紹一下生成的jni函數包含兩個固定的參數變量，分别是jnienv和jobject，其中jnienv後面會介紹，jobject就是目前與之連結的native方法隸屬的類對象(類似于java中的this)。這兩個變量都是java虛拟機生成并在調用時傳遞進來的。

2.動态注冊

上面我們介紹了靜态注冊native方法的過程，就是java層聲明的native方法和jni函數是一一對應的，那麼有沒有方法讓java層的native方法和任意的jni函數連結起來，當然是可以的，這就得使用動态注冊的方法。接下來就看看如何實作動态注冊的。

1) jni_onload函數

 當我們使用system.loadlibarary()方法加載so庫的時候，java虛拟機就會找到這個函數并調用該函數，是以可以在該函數中做一些初始化的動作，其實這個函數就是相當于activity中的oncreate()方法。該函數前面有三個關鍵字，分别是jniexport、jnicall和jint，其中jniexport和jnicall是兩個宏定義，用于指定該函數是jni函數。jint是jni定義的資料類型，因為java層和c/c++的資料類型或者對象不能直接互相的引用或者使用，jni層定義了自己的資料類型，用于銜接java層和jni層，至于這些資料類型我們在後面介紹。這裡的jint對應java的int資料類型，該函數傳回的int表示目前使用的jni的版本，其實類似于android系統的api版本一樣，不同的jni版本中定義的一些不同的jni函數。該函數會有兩個參數，其中*jvm為java虛拟機執行個體，javavm結構體定義了以下函數：

這裡我們使用了getenv函數擷取jnienv變量，上面的jni_onload函數中有如下代碼：

這裡調用了getenv函數擷取jnienv結構體指針，其實jnienv結構體是指向一個函數表的，該函數表指向了對應的jni函數，我們通過調用這些jni函數實作jni程式設計，在後面我們還會對其進行介紹。

擷取java對象，完成動态注冊

上面介紹了如何擷取jnienv結構體指針，得到這個結構體指針後我們就可以調用jnienv中的registernatives函數完成動态注冊native方法了。該方法如下：

第一個參數是java層對應包含native方法的對象(這裡就是androidjni對象)，通過調用jnienv對應的函數擷取class對象(findclass函數的參數為需要擷取class對象的類描述符)：

第二個參數是jninativemethod結構體指針，這裡的jninativemethod結構體是描述java層native方法的，它的定義如下：

第三個參數為注冊native方法的數量。一般會動态注冊多個native方法，首先會定義一個jninativemethod數組，然後将該數組指針作為registernative函數的參數傳入，是以這裡定義了如下的jninativemethod數組：

最後調用registernative函數完成動态注冊：

2jni資料結構

jnienv結構體

jnienv是一個jni環境結構體，結構體重維護了一系列的函數，通過這些環境函數可以實作與java層的互動。下圖是jnienv成員函數的一部分：

從上面羅列的幾個方法可以看出，通過jnienv我們可以輕易地擷取到一個java類中的域，方法并操作這些成員。

jni資料類型

雖然jni和java都包含很多相同的資料類型，但是其定義卻并不一樣，是以java的資料類型需要經過轉換才能在jni層面被操作。接下來就是java和jni資料類型的對照：

1）基礎類型

| java type| native type | description |

| --- | --- | --- |

| boolean | jboolean | unsigned 8 bits |

| byte | jbyte | signed 8 bits |

| char | jchar | unsigned 16 bits |

| short | jshort | signed 16 bits |

|int | jint | signed 32 bits |

|long | jlong | signed 64 bits |

|float | jfloat | 32 bits |

|double | jdouble| 64 bits |

|void | void | n/a |

2) 應用類型

3) 方法和變量的id

 當需要調用java中的某個方法的時候我們首先要擷取它的id，根據id調用jni函數擷取該方法，變量的擷取過程也是同樣的過程，這些id的結構體定義如下：

描述符

1.類描述符

 前面為了擷取java的androidjni對象，是通過調用findclass()函數擷取的，該函數參數隻有一個字元串參數，我們發現該字元串如下所示：

其實這個就是jni定義了對類的描述符，它的規則就是将”com.github.songnick.jni.androidjni”中的“.”用“/”代替。

2.方法描述符

 前面我們動态注冊native方法的時候結構體jninativemethod中含有方法描述符，就是确定native方法的參數和傳回值，我們這裡定義的dynamiclog()方法沒有參數，傳回值為空是以對應的描述符為：”()v”，括号類為參數，v表示傳回值為空。下面還是看看幾個栗子吧：

| method descriptor | java language type |

| --- | --- |

|“()ljava/lang/string;” | string f(); |

|“(iljava/lang/class;)j”| long f(int i, class c);|

|“([b)v” | string(byte[] bytes); |

上面的栗子我們看到方法的傳回類型和方法參數有引用類型以及boolean、int等基本資料類型，對于這些類型的描述符在下個部分介紹。這裡數組的描述符以”[“和對應的類型描述符來表述。對于二維數組以及三維數組則以”[[“和”[[[“表示：

|descriptor |java langauage type|

|“[[i” | int |

|“[[[d” | double[] |

3.資料類型描述符

 前面我們說了方法的描述符，那麼針對boolean、int等資料類型描述符是怎樣的呢，jni對基本資料類型的描述符定義如下：

| field desciptor | java language type |

| --- | ---- |

| z | boolean |

| b | byte |

| c | char |

|s | short |

|i | int |

|j | long |

|f | float |

|d | double |

對于引用類型描述符是以”l”開頭”;”結尾，示例如下所示：

| field desciptor | java language type |

| “ljava/lang/string;” | string |

|“[ljava/lang/object;” | object[] |