Android深入理解JNI(一)JNI原理与静态、动态注册

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前言

JNI不仅仅在NDK开发中应用,它更是Android系统中Java与Native交互的桥梁,不理解JNI的话,你就只能停留在Java Framework层。这一个系列我们来一起深入学习JNI。

1.JNI概述

Android系统按语言来划分的话由两个世界组成,分别是Java世界和Native世界。那为什么要这么划分呢?Android系统由Java写不好吗?除了性能的之外,最主要的原因就是在Java诞生之前,就有很多程序和库都是由Native语言写的,因此,重复利用这些Native语言编写的库是十分必要的,况且Native语言编写的库具有更好的性能。
这样就产生了一个问题,Java世界的代码要怎么使用Native世界的代码呢,这就需要一个桥梁来将它们连接在一起,而JNI就是这个桥梁。
未命名文件(5).png
通过JNI,Java世界的代码就可以访问Native世界的代码,同样的,Native世界的代码也可以访问Java世界的代码。
为了讲解JNI我们需要分析系统的源码,在即将出版的《Android进阶之光》的最后一章中我拿MediaPlayer框架做了举例,这里换MediaRecorder框架来举例,它和MediaPlayer框架的调用过程十分类似。

2.MediaRecorder框架概述

MediaRecorder我们应该都不陌生,它用于录音和录像。这里不会主要介绍MediaRecorder框架,而是MediaRecorder框架中的JNI。
未命名文件(6).png
Java世界对应的是MediaRecorder.java,也就是我们应用开发中直接调用的类。JNI层对用的是libmedia_jni.so,它是一个JNI的动态库。Native层对应的是libmedia.so,这个动态库完成了实际的调用的功能。

3.Java层的MediaRecorder

我们先来查看MediaRecorder.java的源码,截取部分和JNI有关的部分如下所示。
frameworks/base/media/java/android/media/MediaRecorder.java

public class MediaRecorder{
static {
System.loadLibrary("media_jni");//1
native_init();//2
}
...
private static native final void native_init();//3
...
public native void start() throws IllegalStateException;
...
}

在静态代码块中首先调用了注释1处的代码,用来加载名为“media_jni“的动态库,也就是libmedia_jni.so。接着调用注释2处的native_init方法,注释3处的native_init方法用native来修饰,说明它是一个native方法,表示由JNI来实现。MediaRecorder的start方法同样也是一个native方法。
对于Java层来说只需要加载对应的JNI库,接着声明native方法就可以了,剩下的工作由JNI层来完成。

4.JNI层的MediaRecorder

MediaRecorder的JNI层由android_media_recorder.cpp实现,native方法native_init和start的JNI层实现如下所示。
frameworks/base/media/jni/android_media_MediaRecorder.cpp

static void
android_media_MediaRecorder_native_init(JNIEnv *env)
{
jclass clazz;
clazz = env->FindClass("android/media/MediaRecorder");
if (clazz == NULL) {
return;
}
...
fields.post_event = env->GetStaticMethodID(clazz, "postEventFromNative",
"(Ljava/lang/Object;IIILjava/lang/Object;)V");
if (fields.post_event == NULL) {
return;
}
}
static void
android_media_MediaRecorder_start(JNIEnv *env, jobject thiz)
{
ALOGV("start");
sp<MediaRecorder> mr = getMediaRecorder(env, thiz);
process_media_recorder_call(env, mr->start(), "java/lang/RuntimeException", "start failed.");
}

android_media_MediaRecorder_native_init方法是native_init方法在JNI层的实现,android_media_MediaRecorder_start方法则是start方法在JNI层的实现。那么,native_init方法是如何找到对应的android_media_MediaRecorder_native_init方法的呢?
这就需要了解JNI方法注册的知识。

5.JNI方法注册

JNI方法注册分为静态注册和动态注册,其中静态注册多用于NDK开发,而动态注册多用于Framework开发。

静态注册

在AS中新建一个Java Library名为media,这里仿照系统的MediaRecorder.java,写一个简单的MediaRecorder.java,如下所示。

package com.example;
public class MediaRecorder {
static {
System.loadLibrary("media_jni");
native_init();
}
private static native final void native_init();
public native void start() throws IllegalStateException;
}

接着进入项目的media/src/main/java目录中执行如下命令:

javac com.example.MediaRecorder.java
javah com.example.MediaRecorder

第二个命令会在当前目录中(media/src/main/java)生成com_example_MediaRecorder.h文件,如下所示。

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class com_example_MediaRecorder */
#ifndef _Included_com_example_MediaRecorder
#define _Included_com_example_MediaRecorder
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
* Class: com_example_MediaRecorder
* Method: native_init
* Signature: ()V
*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_MediaRecorder_native_1init
(JNIEnv *, jclass);//1
/*
* Class: com_example_MediaRecorder
* Method: start
* Signature: ()V
*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_MediaRecorder_start
(JNIEnv *, jobject);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

nativeinit方法被声明为注释1处的方法,格式为`Java包名类名方法名`,注释1处的方法名多了一个“l”,这是因为nativeinit方法有一个“”,它会在转换为JNI方法时变成“_l”。
其中JNIEnv 是一个指向全部JNI方法的指针,该指针只在创建它的线程有效,不能跨线程传递。
jclass是JNI的数据类型,对应Java的java.lang.Class实例。jobject同样也是JNI的数据类型,对应于Java的Object。关于JNIEnv
以及JNI的数据类型会在本系列的后续文章中进行介绍。

当我们在Java中调用native_init方法时,就会从JNI中寻找Java_com_example_MediaRecorder_native_1init方法,如果没有就会报错,如果找到就会为native_init和Java_com_example_MediaRecorder_native_1init建立关联,其实是保存JNI的方法指针,这样再次调用native_init方法时就会直接使用这个方法指针就可以了。
静态注册就是根据方法名,将Java方法和JNI方法建立关联,但是它有一些缺点:

  • JNI层的方法名称过长。
  • 声明Native方法的类需要用javah生成头文件。
  • 初次调用JIN方法时需要建立关联,影响效率。

我们知道,静态注册就是Java的Native方法通过方法指针来与JNI进行关联的,如果Native方法知道它在JNI中对应的方法指针,就可以避免上述的缺点,这就是动态注册。

动态注册

JNI中有一种结构用来记录Java的Native方法和JNI方法的关联关系,它就是JNINativeMethod,它在jni.h中被定义:

typedef struct {
const char* name;//Java方法的名字
const char* signature;//Java方法的签名信息
void* fnPtr;//JNI中对应的方法指针
} JNINativeMethod;

系统的MediaRecorder采用的就是动态注册,我们来查看它的JNI层是怎么做的。
frameworks/base/media/jni/android_media_MediaRecorder.cpp

static const JNINativeMethod gMethods[] = {
...
{"start", "()V", (void *)android_media_MediaRecorder_start},//1
{"stop", "()V", (void *)android_media_MediaRecorder_stop},
{"pause", "()V", (void *)android_media_MediaRecorder_pause},
{"resume", "()V", (void *)android_media_MediaRecorder_resume},
{"native_reset", "()V", (void *)android_media_MediaRecorder_native_reset},
{"release", "()V", (void *)android_media_MediaRecorder_release},
{"native_init", "()V", (void *)android_media_MediaRecorder_native_init},
...
};

上面定义了一个JNINativeMethod类型的gMethods数组,里面存储的就是MediaRecorder的Native方法与JNI层方法的对应关系,其中注释1处”start”是Java层的Native方法,它对应的JNI层的方法为android_media_MediaRecorder_start。”()V”是start方法的签名信息,关于Java方法的签名信息后续的文章会介绍。
只定义JNINativeMethod 类型的数组是没有用的,还需要注册它,注册的方法为register_android_media_MediaRecorder:
frameworks/base/media/jni/android_media_MediaRecorder.cpp

//JNI_OnLoad in android_media_MediaPlayer.cpp
int register_android_media_MediaRecorder(JNIEnv *env)
{
return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
"android/media/MediaRecorder", gMethods, NELEM(gMethods));
}

register_android_media_MediaRecorder方法中return了AndroidRuntime的registerNativeMethods方法,如下所示。
frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

/*static*/ int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv* env,
const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}

registerNativeMethods方法中又return了jniRegisterNativeMethods方法:
external/conscrypt/src/openjdk/native/JNIHelp.cpp

extern "C" int jniRegisterNativeMethods(JNIEnv* env, const char* className,
const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
...
if (env->RegisterNatives(c.get(), gMethods, numMethods) < 0) {//1
char* msg;
(void)asprintf(&msg, "RegisterNatives failed for '%s'; aborting...", className);
env->FatalError(msg);
}
return 0;
}

从注释1处可以看出,最终调用的JNIEnv的RegisterNatives方法,JNIEnv在JNI中十分重要,后续文章会介绍它。

register_android_media_MediaRecorder方法最终会调用JNIEnv的RegisterNatives方法,但是register_android_media_MediaRecorder方法是在哪被调用的呢?答案在register_android_media_MediaRecorder方法的注释上:JNI_OnLoad in android_media_MediaPlayer.cpp。这个JNI_OnLoad方法会在System.loadLibrary方法后调用,因为多媒体框架中的很多框架都要进行JNINativeMethod数组注册,因此,注册方法就被统一定义在android_media_MediaPlayer.cpp中的JNI_OnLoad方法中,如下所示。
frameworks/base/media/jni/android_media_MediaPlayer.cpp

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* /* reserved */)
{
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
ALOGE("ERROR: GetEnv failed\n");
goto *bail;
}
assert(env != NULL);
...
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
ALOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed\n");
goto *bail;
}
if (register_android_media_MediaRecorder(env) < 0) {//1
ALOGE("ERROR: MediaRecorder native registration failed\n");
goto *bail;
}
...
result = JNI_VERSION_1_4;
bail:
return result;
}

在JNI_OnLoad方法中调用了整个多媒体框架的注册JNINativeMethod数组的方法,注释1处的调用了register_android_media_MediaRecorder方法,同样的,MediaPlayer框架的注册JNINativeMethod数组的方法register_android_media_MediaPlayer也被调用了。

关于动态注册就讲到这里,更多深入JNI的知识请见本系列后续的文章。

参考资料
《深入理解Android卷I》

刘望舒 wechat
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