Android JNI概述

本文基于Android 9.0源码分析

Android JNI简介

JNI是Java Native Interface, 它提供了一种从字节码(Java/Kotlin)到Native代码(c/c++/assembly)的交互方式

JavaVM与JNIEnv

JNI定义了两个关键的数据结构：JavaVM和JNIEnv

• JavaVM
  • JavaVM提供了"invocation interface"函数表，允许你创建和销毁JavaVM，理论上你可以在进程内创建多个JavaVM实例，但Android只允许创建一个。
• JNIEnv
  • JNIEnv提供了大部分JNI方法，JNIEnv存储在TLS中，基于上述原因，不能在线程间共享JNIEnv。上面的图中JNINativeInterface实际是全局结构体，图有点问题。
• 线程
  • Android中的线程都是Linux线程，由Linux内核调度。通常通过Thread.start()启动线程，但是也可以使用其他方法启动线程，然后attach到JavaVM。比如，使用pthread_create()创建线程，调用AttachCurrentThread()或者AttachCurrentThreadAsDaemon()attach到JavaVM。注意，在attach之前，没有JNIEnv，无法使用JNI。

Android Native方法注册

使用RegisterNatives显示注册

示例

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    // Used to load the 'native-lib' library on application startup.
    static {
        System.loadLibrary("native-lib");
    }
    ......
    /**
     * A native method that is implemented by the 'native-lib' native library,
     * which is packaged with this application.
     */
    public native String stringFromJNI();
}

// 1) using RegisterNatives register native method
static jstring StringFromJNI(JNIEnv *env, jobject obj) {
  std::string hello = "Hello from C++";
  return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

static JNINativeMethod jni_methods[] = {
    {"stringFromJNI", "()Ljava/lang/String;", (void *)StringFromJNI}
};

// 这里JNI_OnLoad不需要添加extern "C"
JNIEXPORT jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
  JNIEnv* env;

  if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
    return -1;
  }

  if (env->RegisterNatives(env->FindClass("lbtrace/jniregister/MainActivity"),
      jni_methods, sizeof(jni_methods) / sizeof(JNINativeMethod)) != JNI_OK)
    return -1;

  return JNI_VERSION_1_6;
}

原理

• 首先获取调用者的类加载（这里是应用类加载器），然后在类加载器的DexPathList中查找Native库

  • 根据Native库的名字产生平台相关的库名
  • 在DexPathList的Native库路径列表中查找Native库，找到后返回库的绝对路径

• JavaVM负责加载Native库，如果没有加载过，装载Native库到进程地址空间，然后查找Native库中是否有函数JNI_OnLoad()，如果存在，执行；否则运行时动态查找Native方法。

• 在JNI_OnLoad()中，首先获取当前线程的JNIEnv，然后调用其RegisterNatives()注册Native方法。

  • 首先检查需要注册Native方法的信息是否合法
  • 根据方法名、方法签名查找对应的Native方法的ArtMethod
  • 将Native函数地址写入ArtMethod对象特定的成员中
  

运行时动态查找

示例

// 2) Android Runtime dynamic find native method
// 必须添加extern "C"
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_lbtrace_jniregister_MainActivity_stringFromJNI(
        JNIEnv* env,
        jobject /* this */) {
    std::string hello = "Hello from C++";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

原理

• ART运行时执行到调用Native方法的字节码时,首先获取方法对应的ArtMethod，根据ArtMethod对象的地址以及成员entry_point_from_quick_compiled_code_的偏移得到JNI Stub的地址。
• 在JNI Stub函数中，首先进行Native方法调用前的准备工作(参数处理、进程状态切换等)，然后根据特定的Native方法名(java_xxx_xxx_xxx)查找Native方法，调用Native方法，Native方法地址保存到ArtMethod，最后是Native方法调用结束后的清理工作。

思考：Native方法中jobject类型的参数是什么？

在先前的Android版本中是Local Reference

• StackReference

Android JNI本地引用和全局引用

对于基本类型，进行JNI调用时，可以直接拷贝到Native方法，但是对于Java对象采用引用传递。虚拟机必须能够追踪到所有传递到Native方法的Java对象，避免被GC回收。当Native方法不再需要Java对象时，必须有一种方法通知虚拟机。

对于本地引用及全局引用的实现细节，将在后续文章中讨论。

Local Reference

本地引用在Native方法调用期间可用，在Native方法返回后自动释放。

• 对于大的Java对象的本地引用，不用时应及时释放
• 不要创建太多本地应用

Global Reference

全局引用不会自动释放，直到显式的删除

Weak Global Reference

弱全局引用是一种特殊的全局引用，与普通的全局引用不同的是，GC可以回收弱全局引用关联的Java对象。当GC运行时，会回收一个仅仅被弱全局引用关联Java对象。所以在使用之前，应该首先检查弱全局引用的Java对象是否被回收。

思考：Android中Java引用到底是什么？

• 根据Java引用原理，可以在Native层直接修改Java对象内容

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    // Used to load the 'native-lib' library on application startup.
    static {
        System.loadLibrary("native-lib");
    }

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        ......
        TestObject testObject = new TestObject();
        Log.i("JNI", "Before : " + testObject.month + "月" +
                testObject.day + "日");
        stringFromJNI(testObject);
        Log.i("JNI", "After : " + testObject.month + "月" +
                testObject.day + "日");
        ......
    }

    public native String stringFromJNI(Object obj);

    static class TestObject {
        int month = 11;
        int day = 29;
    }
}

extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_lbtrace_jniregister_MainActivity_stringFromJNI(
        JNIEnv* env,
        jobject obj, jobject test_obj) {
    std::string hello = "Hello from C++";

    // Java TestObject Mirror address
    int32_t *test_obj_ptr = reinterpret_cast<int32_t *>(
        *(reinterpret_cast<int32_t *>(test_obj)));

    // According TestObject memory layout
    // Swap month field and day field in TestObject
    int32_t tmp = *(test_obj_ptr + 2);
    *(test_obj_ptr + 2) = *(test_obj_ptr + 3);
    *(test_obj_ptr + 3) = tmp;

    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

参考

• JNI Tips
• Java Native Interface Specification