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Android中JNI编程的那些事儿

JNI 
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Android系统不允许一个纯粹使用C/C++的程序出现,它要求必须是通过Java代码嵌入Native C/C++——即通过JNI的方式来使用本地(Native)代码。因此JNI对Android底层开发人员非常重要。

如何将.so文件打包到.APK

让我们 先 从最简单的情况开始,假如已有一个JNI实现——libxxx.so文件,那么如何在APK中使用它呢?

在我最初写类似程序的时候,我会将libxxx.so文件push到/system/lib/目录下,然后在Java代码中执行System.loadLibrary(xxx),这是个可行的做法,但需要取得/system/lib 目录 的写权限(模拟器通过adb remount取得该权限)。但模拟器 重启之 后libxxx.so文件会消失。现在 我找到了更好的方法,把.so文件打包到apk中分发给最终用户,不管是模拟器 或者 真机 ,都不再需要system分区的写权限。实现步骤如下:

1、在你的项目根目录下建立libs/armeabi目录;

2、将libxxx.so文件copy到 libs/armeabi/下;

3、此时ADT插件自动编译输出的.apk文件中已经包括.so文件了;

4、安装APK文件,即可直接使用JNI中的方法;

我想还需要简单说明一下libxxx.so的命名规则,沿袭Linux传统,lib<something>.so是类库文件名称的格式,但在Java的System.loadLibrary(" something ")方法中指定库名称时,不能包括 前缀—— lib,以及后缀——.so。

准备编写自己的JNI模块

你一定想知道如何编写自己的xxx.so,不过这涉及了太多有关JNI的知识。简单的说:JNI是Java平台定义的用于和宿主平台上的本地代码进行交互的“Java标准”,它通常有两个使用场景:1.使用(之前使用c/c++、delphi开发的)遗留代码;2.为了更好、更直接地与硬件交互并获得更高性能 。

1、首先创建含有native方法的Java类:

  1. package com.okwap.testjni;     
  2.  public final class MyJNI {    
  3.     //native方法,    
  4.      public static native String sayHello(String name);    
  5. }   

2、通过javah命令生成.h文件,内容如下(com_okwap_testjni.h文件):

  1. /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */     
  2.  #include <jni.h>      
  3.  /* Header for class com_okwap_testjni_MyJNI */     
  4.  #ifndef _Included_com_okwap_testjni_MyJNI      
  5.  #define _Included_com_okwap_testjni_MyJNI      
  6.  #ifdef __cplusplus      
  7.  extern "C" {      
  8.  #endif      
  9.  /*     
  10.  * Class:     com_okwap_testjni_MyJNI     
  11.   * Method:    sayHello     
  12.   * Signature: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;     
  13.   */     
  14.  JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_okwap_testjni_MyJNI_sayHello      
  15.    (JNIEnv *, jclass, jstring);      
  16.  #ifdef __cplusplus      
  17.  }      
  18.  #endif     
  19.  #endif  

这是一个标准的C语言头文件,其中的JNIEXPORT、JNICALL是JNI关键字(事实上它是没有任何内容的宏,仅用于指示性说明),而jint、jstring是JNI环境下对int及java.lang.String类型的映射。这些关键字的定义都可以在jni.h中看到。

3、在 com_okwap_testjni.c文件中实现以上方法:

  1. #include <string.h>     
  2.  #include <jni.h>     
  3.  #include "com_okwap_testjni.h"     
  4.  JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_okwap_testjni_MyJNI_sayHello(JNIEnv* env, jclass, jstring str){     
  5.      //从jstring类型取得c语言环境下的char*类型     
  6.       const char* name = (*env)->GetStringUTFChars(env, str, 0);     
  7.      //本地常量字符串     
  8.       char* hello = "你好,";    
  9.      //动态分配目标字符串空间    
  10.      char* result = malloc((strlen(name) + strlen(hello) + 1)*sizeof(char));    
  11.      memset(result,0,sizeof(result));    
  12.      //字符串链接    
  13.       strcat(result,hello);    
  14.      strcat(result,name);    
  15.      //释放jni分配的内存    
  16.      (*env)->ReleaseStringUTFChars(env,str,name);    
  17.      //生成返回值对象    
  18.      str = (*env)->NewStringUTF(env, "你好 JNI~!");    
  19.      //释放动态分配的内存    
  20.      free(result);    
  21.     //   
  22.     return str;    
  23.  }   

 

4、编译——两种不同的编译环境

以上的C语言代码要编译成最终.so动态库文件,有两种途径:

Android NDK :全称是Native Developer Kit,是用于编译本地JNI源码的工具,为开发人员将本地方法整合到Android应用中提供了方便。事实上NDK和完整源码编译环境一样,都使用Android的编译系统——即通过Android.mk文件控制编译。NDK可以运行在Linux、Mac、Window(+cygwin)三个平台上。有关NDK的使用方法及更多细节请参考以下资料:
 
eoe特刊第七期《NDK总结》http://blog.eoemobile.com/?p=27

http://androidappdocs.appspot.com/sdk/ndk/index.html ;

完整源码编译环境 :Android平台提供有基于make的编译系统,为App编写正确的Android.mk文件就可使用该编译系统。该环境需要通过git从官方网站获取完整源码副本并成功编译,更多细节请参考:http://source.android.com/index.html

不管你选择以上两种方法的哪一个,都必须编写自己的Android.mk文件,有关该文件的编写请参考相关文档。

JNI组件的入口函数——JNI_OnLoad()、JNI_OnUnload()

JNI组件被成功加载和卸载时,会进行函数回调,当VM执行到System.loadLibrary(xxx)函数时,首先会去执行JNI组件中的JNI_OnLoad()函数,而当VM释放该组件时会呼叫JNI_OnUnload()函数。先看示例代码:

  1. //onLoad方法,在System.loadLibrary()执行时被调用     
  2. jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){     
  3.     LOGI("JNI_OnLoad startup~~!");     
  4.         return JNI_VERSION_1_4;     
  5. }        
  6.      
  7. //onUnLoad方法,在JNI组件被释放时调用     
  8. void JNI_OnUnload(JavaVM* vm, void* reserved){     
  9.     LOGE("call JNI_OnUnload ~~!!");    
  10. }   

JNI_OnLoad()有两个重要的作用:

指定JNI版本:告诉VM该组件使用那一个JNI版本(若未提供JNI_OnLoad()函数,VM会默认该使用最老的JNI 1.1版),如果要使用新版本的JNI,例如JNI 1.4版,则必须由JNI_OnLoad()函数返回常量JNI_VERSION_1_4(该常量定义在jni.h中) 来告知VM。

初始化设定,当VM执行到System.loadLibrary()函数时,会立即先呼叫JNI_OnLoad()方法,因此在该方法中进行各种资源的初始化操作最为恰当。

JNI_OnUnload()的作用与JNI_OnLoad()对应,当VM释放JNI组件时会呼叫它,因此在该方法中进行善后清理,资源释放的动作最为合适。

使用registerNativeMethods方法

对Java程序员来说,可能我们总是会遵循:1.编写带有native方法的Java类;--->2.使用javah命令生成.h头文件;--->3.编写代码实现头文件中的方法,这样的“官方” 流程,但也许有人无法忍受那“丑陋”的方法名称,RegisterNatives方法能帮助你把c/c++中的方法隐射到Java中的native方法,而无需遵循特定的方法命名格式。来看一段示例代码吧:

  1. //定义目标类名称     
  2. static const char *className = "com/okwap/testjni/MyJNI";     
  3. //定义方法隐射关系    
  4. static JNINativeMethod methods[] = {     
  5.   {"sayHello", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", (void*)sayHello},     
  6. };     
  7. jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){    
  8.   //声明变量    
  9.   jint result = JNI_ERR;    
  10.   JNIEnv* env = NULL;    
  11.   jclass clazz;    
  12.  int methodsLenght;    
  13.   //获取JNI环境对象    
  14.   if ((*vm)->GetEnv(vm, (void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {    
  15.  LOGE("ERROR: GetEnv failed\n");    
  16.     return JNI_ERR;    
  17.   }    
  18.   assert(env != NULL);    
  19.   //注册本地方法.Load 目标类    
  20.   clazz = (*env)->FindClass(env,className);    
  21.   if (clazz == NULL) {    
  22.     LOGE("Native registration unable to find class '%s'", className);    
  23.    return JNI_ERR;    
  24.   }    
  25.   //建立方法隐射关系    
  26.   //取得方法长度    
  27.   methodsLenght = sizeof(methods) / sizeof(methods[0]);    
  28.   if ((*env)->RegisterNatives(env,clazz, methods, methodsLenght) < 0) {    
  29.     LOGE("RegisterNatives failed for '%s'", className);    
  30.     return JNI_ERR;    
  31.   }    
  32.   //    
  33.  result = JNI_VERSION_1_4;    
  34.   return result;     
  35. }   

 

建立c/c++方法和Java方法之间映射关系的关键是 JNINativeMethod 结构,该结构定义在jni.h中,具体定义如下:

  1. typedef struct {     
  2.    const char* name;//java方法名称    
  3.    const char* signature; //java方法签名    
  4.    void*       fnPtr;//c/c++的函数指针    
  5.  } JNINativeMethod 

参照上文示例中初始化该结构的代码:

  1. //定义方法隐射关系    
  2.  static JNINativeMethod methods[] = {    
  3.    {"sayHello", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", (void*)sayHello},    
  4.  };   

其中比较难以理解的是第二个参数——signature字段的取值,实际上这些字符与函数的参数类型/返回类型一一对应,其中"()" 中的字符表示参数,后面的则代表返回值。例如"()V" 就表示void func(),"(II)V" 表示 void func(int, int),具体的每一个字符的对应关系如下:

字符     Java类型     C/C++类型
V           void          void
Z         jboolean      boolean
I            jint            int
J           jlong          long
D         jdouble       double
F          jfloat          float
B          jbyte          byte
C          jchar           char
S          jshort         short

数组则以"["开始,用两个字符表示:

字符     java类型          c/c++类型
[Z     jbooleanArray      boolean[]
[I        jintArray            int[]
[F       jfloatArray         float[]
[B      jbyteArray          byte[]
[C      jcharArray          char[]
[S      jshortArray         short[]
[D     jdoubleArray       double[]
[J        jlongArray          long[]

上面的都是基本类型,如果参数是Java类,则以"L"开头,以";"结尾,中间是用"/"隔开包及类名,而其对应的C函数的参数则为jobject,一个例外是String类,它对应C类型jstring,例如:Ljava/lang /String; 、Ljava/net/Socket; 等,如果JAVA函数位于一个嵌入类(也被称为内部类),则用$作为类名间的分隔符,例如:"Landroid/os/FileUtils$FileStatus;"。

使用registerNativeMethods方法不仅仅是为了改变那丑陋的长方法名,最重要的是可以提高效率,因为当Java类别透过VM呼叫到本地函数时,通常是依靠VM去动态寻找.so中的本地函数(因此它们才需要特定规则的命名格式),如果某方法需要连续呼叫很多次,则每次都要寻找一遍,所以使用RegisterNatives将本地函数向VM进行登记,可以让其更有效率的找到函数。

registerNativeMethods方法的另一个重要用途是,运行时动态调整本地函数与Java函数值之间的映射关系,只需要多次调用registerNativeMethods()方法,并传入不同的映射表参数即可。

JNI中的日志输出

你一定非常熟悉在Java代码中使用Log.x(TAG,“message”)系列方法,在c/c++代码中也一样,不过首先你要include相关头文件。遗憾的是你使用不同的编译环境( 请参考上文中两种编译环境的介绍) ,对应的头文件略有不同。。

如果是在完整源码编译环境下,只要include <utils/Log.h>头文件,就可以使用对应的LOGI、LOGD等方法了,同时请定义LOG_TAG,LOG_NDEBUG等宏值,示例代码如下:

  1.  #define LOG_TAG "HelloJni"     
  2.  #define LOG_NDEBUG 0     
  3.  #define LOG_NIDEBUG 0     
  4.  #define LOG_NDDEBUG 0    
  5.  #include <string.h>     
  6.  #include <jni.h>     
  7.  #include <utils/Log.h>    
  8.  jstring Java_com_inc_android_ime_HelloJni_stringFromJNI(JNIEnv* env,jobject thiz){    
  9.     LOGI("Call stringFromJNI!\n");   
  10.      return (*env)->NewStringUTF(env, "Hello from JNI (中文)!");    
  11. }   

与日志相关的.h头文件,在以下源码路径:

  1. myeclair\frameworks\base\include\utils\Log.h   
  2. myeclair\system\core\include\cutils\log.h  


如果你是在NDK环境下编译,则需要#include <android/log.h>,示例代码如下:

  1.  /*    
  2.  * jnilogger.h    
  3.  *    
  4.  *  Created on: 2010-11-15    
  5.  *      Author: INC062805   
  6.  */     
  7.  #ifndef __JNILOGGER_H_     
  8.  #define __JNILOGGER_H_    
  9. #include <android/log.h>   
  10.  #ifdef _cplusplus    
  11.  extern "C" {    
  12.  #endif    
  13.  #ifndef LOG_TAG    
  14.  #define LOG_TAG    "MY_LOG_TAG"    
  15. #endif    
  16.  #define LOGD(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG,LOG_TAG,__VA_ARGS__)    
  17.  #define LOGI(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,LOG_TAG,__VA_ARGS__)    
  18.  #define LOGW(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN,LOG_TAG,__VA_ARGS__)    
  19.  #define LOGE(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR,LOG_TAG,__VA_ARGS__)    
  20.  #define LOGF(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_FATAL,LOG_TAG,__VA_ARGS__)    
  21.  #ifdef __cplusplus    
  22.  }   
  23.  #endif    
  24.  #endif /* __JNILOGGER_H_ */   

你可以下载以上头文件,来统一两种不同环境下的使用差异。另外,不要忘了在你的Android.mk文件中加入对类库的应用,两种环境下分别是

ifeq ($(HOST_OS),windows)  
 #NDK环境下  
     LOCAL_LDLIBS := -llog 
 else 
 #完整源码环境下  
     LOCAL_SHARED_LIBRARIES := libutils 
 endif

Android为JNI提供的助手方法

  1. myeclair\dalvik\libnativehelper\include\nativehelper 

在完整源码编译环境下,Android在myeclair\dalvik\libnativehelper\include\nativehelper\JNIHelp.h头文件中 提供了助手函数 ,用于本地方法注册、异常处理等任务,还有一个用于计算方法隐射表长度的宏定义:

  1. #ifndef NELEM    
  2.  # define NELEM(x) ((int) (sizeof(x) / sizeof((x)[0])))    
  3.  #endif    
  4.  //有了以上宏定义后,注册方法可以按如下写,该宏定义可以直接copy到NDK环境下使用:    
  5.  (*env)->RegisterNatives(env,clazz, methods,NELEM(methods));
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