Android Studio下的Jni编程总结

1. jni的注册以及编译

1.1 静态注册jni

1.1.1 使用Android Studio创建NDK开发工程

使用Android Studio直接创建jni接口比较简单，集成开发工具为我们做了大量工作,且默认为静态注册，下面首先简单梳理一下使用最新版本Android Studio（4.0.1）创建NDK开发工程的方法：

1. 首先新建工程，选择C++工程；

2. 填写工程信息后选择C++可支持的版本以及编译选项，这里暂时选择默认的toolchain；

3. 完成后即可看到AS为我们自动生成NDK开发的c++目录，对应的CMakeLists.txt以及cpp源文件示例。接下来只需要在cpp目录下创建需要的其他c++源文件即可。在Android Studio自动配置的静态注册中，Java文件新定义任何接口都可以自动在cpp文件中生成对应的接口声明。

Android Studio自动生成的c++接口声明示例：

#include <jni.h>
#include <string>

extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_example_jnitest_jniutil_JniManager_stringFromJNI(
        JNIEnv* env,
        jobject /* this */) {
    std::string hello = "Hello from C++";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}
extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_example_jnitest_jniutil_JniManager_getIDFromJni(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    // TODO: implement getIDFromJni()
    return 0;
}

1.1.2 手动创建jni源文件

由于IDE为我们完成了过多工作使我们无法看清jni在创建过程中具体做了什么，因此这里简单尝试一下手动进行静态注册jni的过程，稍微降低对IDE的依赖。

创建jni主要需要三个步骤：创建必要的源文件、添加CMakeLists.txt、配置gradle。

1） 创建相关源文件：在原有的普通Android工程中，创建需要调用Native方法的java源文件，如：

package com.example.myappdemo.nativeManager;

public class NativeManager {
    public native String getName(int id); // 本地方法声明
}

然后针对这个Java文件创建cpp的头文件，可以使用jdk指令:

step1: javac NativeManage.java // 生成class文件

step2: javah -jni com.example.jnitest2.nativeManager.NativeManager // 生成jni头文件

但是实验发现以上命令无法再适用于jdk10以上了，jdk10以后javah被包含在javac中，因此以上命令可以合并为：

javac -h -jni NativeManager.java // 直接在当前目录下创建jni目录并生成头文件，根据项目不同要求，可以将路径更改为c++目录下

生成的头文件如下:

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include 
/* Header for class com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager */

#ifndef _Included_com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager
#define _Included_com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager
 * Method:    getName
 * Signature: (I)Ljava/lang/String;
 */
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager_getName
  (JNIEnv *, jobject, jint);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

注意到h文件方法的名字结构是比较规则的，是以Java_包名_类名_方法名的结构出现，这也是静态注册的特点之一。

然后创建同名的cpp文件（与h文件同名方便识别），如下:

#include "com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager.h"
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager_getName
  (JNIEnv *env, jobject obj, jint id) {
  std::string hello = "Hello from C++";
  return env->NewStringUTF(hello.c_str());
 }

2. 创建CMakeLists.txt

CMakeLists.txt是用来生成makefile（或者project文件）的工具，用于编译c++文件。具体CMakeLists的细节不在这里介绍，这里主要介绍基本的CMakeLists.txt如何创建和实现。

首先创建CMakeLists.txt文件，然后列出编译基本规则，如下:

// 这里是要求的最低cmake版本，但不是指定版本，指定版本在gradle中说明
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
// 这里是指定include文件夹路径，是CMakeLists.txt的相对路径，include由开发者根据情况自行创建
include_directories(include)
// 需要添加的library，native-lib为so库的名字；SHARED表示类型为共享库；
add_library( native-lib SHARED
            // 编译该库需要的源文件
            com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager.cpp
            com_example_myappdemo_nativeManager_NativeManager.h  ) 

3. 在gradle中配置CMakeLists.txt

Android Studio是通过gradle完成代码编译的，因此CMakeLists.txt也需要配置在gradle中才能实现动态库的编译和加载。app/build.gradle中需要配置CMakeLists的位置有两处，一处为defaultConfig选项，一处为android选项中.

其中在defaultConfig中externalNativeBuild的cmake参数为编译选项，如下所示:

    defaultConfig {
        applicationId "com.example.myappdemo"
        minSdkVersion 26
        targetSdkVersion 29
        versionCode 1
        versionName "1.0"

        testInstrumentationRunner "androidx.test.runner.AndroidJUnitRunner"
        
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags "-std=c++11" // 此处表示使用c++11标准
            }
        }
    }

在android中的externalNativeBuild需要标时CMakeLists.txt的路径和使用的cmake版本：

    externalNativeBuild {
        cmake {
            // 这里的路径是相对build.gradle的
            path "src/main/cpp/CMakeLists.txt"
            version "3.10.2"
        }
    }

1.2 动态注册jni

动态注册jni不需要静态注册那样严格地要求方法名，但是需要手动将native方法和java方法关联起来，并手动注册。具体步骤如下:

1. 创建java源文件，定义需要的native方法：

public final class DynamicJniRegister {
    private DynamicJniRegister() {}
    private static class SingleInstHolder {
        private static DynamicJniRegister sInstance = new DynamicJniRegister();
    }

    public static DynamicJniRegister getInstance() {
        return SingleInstHolder.sInstance;
    }
    // 定义的native方法
    public native String getGreetingsFromDynamicJni();
}

2. 创建jni的cpp文件，可以自行命名，但方便后续开发，依然推荐取名为java类包名。源文件需要包含jni的基础功能头文件jni.h；

3. 在cpp文件中定义native接口的实现，如：

jstring getGreetingsFromDynamicJni(JNIEnv* env, jobject obj) {
    std::string hello = "Greetings from dynamic C++";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

4. 定义jni方法与java方法的映射数组JNINativeMethod。这个数据类型主要包含三部分：java方法名、方法签名、jni函数指针。有关该数据结构和签名含义会在后面详细总结。

static const JNINativeMethod jniNativeMethod[] = {
        {"getGreetingsFromDynamicJni", "()Ljava/lang/String;", (jstring *)getGreetingsFromDynamicJni}
};

5. 实现JNI_Onload函数。该函数会在java中加载so库时自动调用。由于动态注册的jni无法根据命名查找到正确的jni函数，需要手动在该方法中确定映射规则。因此方法的主要功能是使用RegisterNatives：

static const char* mClassName = "com/example/myappdemo/nativemanager/DynamicJniRegister";

jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *unused) {
    JNIEnv* env = NULL;
    int res = vm->GetEnv((void**)&env, JNI_VERSION_1_4);
    if (res != JNI_OK) {
        return -1;
    }
    jclass mainClass = env->FindClass(mClassName);
    res = env->RegisterNatives(mainClass, jniNativeMethod, 1);
    if (res != JNI_OK) {
        return -1;
    }

    return JNI_VERSION_1_4;
}

6. 在CMakeLists.txt中增加c++源文件，编译动态库：

add_library( dynamic_native-lib SHARED
        jni_dynamic_register.cpp)

7. 在java文件中加载该动态库：

    static {
        System.loadLibrary("dynamic_native-lib");
    }

8）最后，使用1.1.2中的3)相同的方法配置build.gradle。至此就完成了动态注册jni.

1.3 jni编译的重要文件CMakeLists.txt

CMakeLists.txt是用来生成makefile并编译c++/c源文件的，可以通过简单的指令输入对源文件的编译需求。在使用Android Studio时，CMakeLists.txt是在修改后sync时执行生成makefile的，编译时自动读取externalNativeBuild中的makefile，并编译c/c++代码。
这里总结一下CMakeLists的基本编写方法。

1） 首先使用cmake_minimum_required限定cmake的最低版本，否则会产生警告：

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)

2） 构建新的静态/动态库

使用add_library可以根据已有的cpp源文件编译新的静态/动态库，命令的参数为:

add_library(

​ dynamic_native-lib // 该参数为库的名字，如果是动态库，最终文件名为：libdynamic_native_lib.so

​ SHARED // 库的类型，SHARED为共享动态库，STATIC为静态库

​ jni_dynamic_register.cpp) // 对应的源文件，所有的源文件都可以罗列在这里，无需标点分割。

3）使用预编译库中的函数

Android中预制了一些NDK的库供开发者使用，比如log库。这类的原生库可以通过find_library将该库与变量关联，再通过target_link_libraries将变量连接在希望使用它的库中，以便于使用该库中的函数。

find_library的参数结构为：

find_library( log-lib // 希望连接到的变量名，即定义一个变量与需要使用的库对应

​ log) // 希望用到的NDK预制库

target_link_libraries的参数结构为：

target_link_libraries( dynamic_native-lib // 希望用到NDK预制库方法的目标库

​ ${log-lib} // find_library定义好的变量，这里可以添加多个

4） 引入第三方so库
引入第三方库的方法与创建一个新的native库类似，区别在于最后一个参数，我们通过IMPORTED标志告知CMake只希望将库导入到项目中。
关于目标库的路径有几点需要说明：

a. CMAKE_SOURCE_DIR表示的是CMakeLists.txt所在的路径，当指定第三方so所在路径时，应当以这个常量为起点。
b, 在具体项目中可以为每种ABI提供单独的软件包，就可以在jinLibs（如果是project结构的目录则是libs）下建立多个目录，每个目录对应一种ABI接口类型，然后再通过${ANDROID_ABI}来泛化这一层目录的结构，这样有助于充分利用特定的CPU架构。第三方的库关联到原生库与NDK库关联到原生库的原理是一样的。
c. 为了确保CMake可以在编译时定位我们的头文件，需要将include_directories() 命令添加到 CMake构建脚本中并指定头文件的路径

add_library(
#指定目标导入库
imported-lib
#设置导入库的类型（静态或动态）为shared library.
SHARED
#告知 CMake imported-lib 是导入的库
IMPORTED )

set_target_properties(
#指定目标导入库
imported-lib
#指定属性(本地导入的已有库)
PROPERTIES IMPORTED_LOCATION
#指定你要导入库的路径. 比如：
${CMAKE_SOURCE_DIR}/libs/${ANDROID_ABI}/libimported-lib.so )
#为了确保 CMake 可以在编译时定位到我们的 头文件，我们需要使用include_directories()命令，
#并包含头文件的路径
include_directories(libs/include/)

#要将预构建库关联到我们的原生库，需要将其添加到CMake构建脚本的target_link_libraries()命令中
target_link_libraries(
#这里指定了三个库，分别是native-lib、imported-lib和log-lib.
native-lib
imported-lib
#log-lib是包含在NDK中的一个日志库
${log-lib} )

2. Jni接口编写

Jni为C/C++编程，但是具体使用风格还是会有稍许不同（比如在字符串编码以及常用数据类型等），这里我会简单总结一下jni编程中的主要关键词、主要方法以及其他需要主意的事项。

2.1 Jni的特殊描述符以及主要变量

在1.1.1和1.1.2中我们看到静态注册的jni的c++和h文件中有一些特殊的描述符、宏以及数据结构，这里主要总结一下这些描述符的含义：
#ifdef __cplusplus
extern “C” {
#endif
/*

• Class: com_example_jnitest2_nativeManager_NativeManager
• Method: getName
• Signature: (I)Ljava/lang/String;
  */
  JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_example_jnitest2_nativeManager_StaticRegisterJniManager_getName
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}

2.1.1 Jni中的特殊描述符

1. extern “C”:
   jni静态注册属于C/C++混合编程，是通过函数名来寻找函数入口的。C与C++在编译中对函数名字的处理有所区别。C++存在重载，因此不能用函数名作为唯一标识，会将参数列表与返回值引入参考。使用extern "C"以后，可以使被extern "C"标识的部分使用C的编译方法，函数名不会做特殊处理，以方便jni正确识别。
   为什么在jdk自动生成的h文件中增加了#ifdef __cplusplus条件限制呢？因为h文件不可避免有可能被C程序引入，而C程序本身是不识别extern "C"修饰符的，因此需要确认当前引入该头文件的是C++文件，才使该修饰符生效。
2. JNIEXPORT:
   这个关键字表明这个函数是一个可导出函数。每一个C/C++库都有一个导出函数列表，只有在这个列表里面的函数才可以被外部直接调用，类似Java的public函数和private函数的区别。
3. JNICALL:
   说明这个函数是一个JNI函数，用来和普通的C/C++函数进行区别。

2.1.2 JNIEnv和jobject类型总结

1. JNIEnv
   JNIEnv类型实际上代表了Java环境，通过这个JNIEnv* 指针，就可以对Java端的代码进行操作。例如，创建Java类中的对象，调用Java对象的方法，获取Java对象中的属性等等。JNIEnv的指针会被JNI传入到本地方法的实现函数中来对Java端的代码进行操作。因此每个函数中都有JNIEnv的指针参数。
   JNIEnv的部分源码如下:

typedef _JNIEnv JNIEnv;
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 DefineClass(const char *name, jobject loader, const jbyte* buf,
        jsize bufLen)
    { return functions->DefineClass(this, name, loader, buf, bufLen); }

    jclass FindClass(const char* name)
    { return functions->FindClass(this, name); }

    jmethodID FromReflectedMethod(jobject method)
    { return functions->FromReflectedMethod(this, method); }
    ......

通过该源码可以看到，JNIEnv中包含JNINativeInterface结构，而后面的所有函数均是对JNINativeInterface中函数的封装，并对参数进行了修改。并且又看到了熟悉的宏：#if defined(__cplusplus)。这里可以看出C和C++对JNIEnv的处理有所不同。对于C编写的Jni程序，JNIEnv等同于JNINativeInterface，而对于C++来说，JNIEnv则对其进行了一次封装。
2. jobject
如果native方法不是static的话，jobject就代表这个native方法的类实例。
如果native方法是static的话，jobject就代表这个native方法的类的class对象实例(static方法不需要类实例的，所以就代表这个类的class对象)。
3. JavaVM
JavaVM的源码如下：

struct _JavaVM {
    const struct JNIInvokeInterface* functions;

#if defined(__cplusplus)
    jint DestroyJavaVM()
    { return functions->DestroyJavaVM(this); }
    jint AttachCurrentThread(JNIEnv** p_env, void* thr_args)
    { return functions->AttachCurrentThread(this, p_env, thr_args); }
    jint DetachCurrentThread()
    { return functions->DetachCurrentThread(this); }
    jint GetEnv(void** env, jint version)
    { return functions->GetEnv(this, env, version); }
    jint AttachCurrentThreadAsDaemon(JNIEnv** p_env, void* thr_args)
    { return functions->AttachCurrentThreadAsDaemon(this, p_env, thr_args); }
#endif /*__cplusplus*/
};

从源码中可以看到JavaVM的主要成员函数都是围绕虚拟机进行的，包括：销毁虚拟机、归入线程、作为守护线程归入某线程、获取环境参数等等。因此这个变量是针对整个线程的性质进行描述和控制的。
在jni动态注册的初始时，就是通过GetEnv获取虚拟机环境参数的。
4. JNINativeMethod 源码如下：

typedef struct {
    const char* name;
    const char* signature;
    void*       fnPtr;
} JNINativeMethod;

JNINativeMethod是用来联系Java方法与本地方法的数据，一般会定义成数组（因为有多个本地方法需要注册）。其中name为Java方法，signature是用来描述参数以及返回值的签名，fnPtr是C++的函数指针。

2.2 Jni的主要函数

这里所讲的函数，是指jni.h中的函数，包括JNIEnv以及JavaVM中的部分成员函数。

1. JNIEXPORT jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved);
   这个是jni,h中声明的外部函数，由JNIEXPORT声明。该函数如果实现，则会在加载库成功后调用，提供Java虚拟机参数（第二个参数预留）。一般动态注册需要在这个函数中做一些自定义初始化工作，如寻找关联的Java类、动态注册本地函数等。
2. JNIEXPORT void JNI_OnUnload(JavaVM* vm, void* reserved);
   当虚拟机释放该C库时，则会调用JNI_OnUnload()函数来进行善后清除动作。
3. jint GetEnv(void** env, jint version)
   用于获取环境参数，是JavaVM的成员函数。一般用于在库刚刚加载的初始化工作中。
4. jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods,
   jint nMethods)
   注册本地函数，是JNIEnv的成员函数，是用来动态注册Jni的函数。其中jclass需要额外获取相关类，JNINativeMethod中记录了Java函数和C++函数的映射关系，也是预先写好的。
5. jclass FindClass(const char* name)
   用来根据类的全命名寻找类的class对象，也是JNIEnv的成员函数：

static const char* mClassName = "com/example/jnitest2/nativeManager/DynamicRegisterJniManager";
jclass nativeManagerCls = env->FindClass(mClassName);

一般是用来做反射使用（调用某Java类的成员方法），或者在动态注册jni的初始时，需要用它来寻找关联的Java类。

2.3 Jni的函数签名

在1.2 动态注册jni中，以及2.1.2的第4条JNINativeMethod结构 中可以看到函数关系表都是有
函数签名参与的，函数签名用来描述函数的参数以及返回值，当需要使用可以通过jdk直接查询签名表，如：javap -s -p StaticRegisterJniManager.class
结果参考下图：

常见的签名如下表所示：

数据类型	签名
boolean	Z
byte	B
char	C
short	S
int	I
long	J
float	F
double	D
void	V
object	L开头,以/分隔包的完整类型，结尾加‘;’ 比如String为：Ljava/lang/String;
Array	以[开头，加上数组元素类型的签名。如int[]应为[I，int[][]为[[I

如何组织JNINativeMethod的签名格式呢？比如当我的Java方法是这样的：
String foo(int a, boolean b, Date[] c), 对应的签名应该为：
（参数1 参数2 参数3 …）返回值
因此应该为：
（I Z [Ljava/util/Date;)Ljava/lang/String;

2.4 Jni访问字符串

2.4.1 关于编码方式

在Java的JVM内码中，String的编码是utf16编码格式，（也就是说每个字符的大小为2~4个字节），但是在jni中一般使用utf8编码格式，而在C/C++中则普遍使用原始数据（ASCII码），1个字节，中文使用GB2312（2个字节）。因此在使用jni进行字符串传递时，一定需要进行编码的转换，否则会出现乱码情况。
编码的转换过程参考下图：

2.4.2 需要用到的函数

JNIEnv中有关String的函数参考下表：

函数定义	函数功能
jstring (NewString)(JNIEnv, const jchar*, jsize)	创建新的String
jsize (GetStringLength)(JNIEnv, jstring)	返回Unicode字符串的字符数。
const jchar* (GetStringChars)(JNIEnv, jstring, jboolean*)	获取以Unicode格式编码的字符串
void (ReleaseStringChars)(JNIEnv, jstring, const jchar*)	释放字符串的空间
jstring (NewStringUTF)(JNIEnv, const char*)	创建新的jstring字符串
jsize (GetStringUTFLength)(JNIEnv, jstring)	返回UTF-8字符串的字节数，不包含末尾’\0’。
const char* (GetStringUTFChars)(JNIEnv, jstring, jboolean*)	把jstring指针(指向JVM内部Unicode序列)转化成UTF-8格式的C字符串
void (ReleaseStringUTFChars)(JNIEnv, jstring, const char*)	释放UTF-8编码的字符串

值得一提的是，GetStringLength与GetStringUTFChars两个函数的表现效果是不确定的，具体由可能会将提供的参数jstring指针直接强转编码形势后返回，也可能会开辟一段空间并将内容copy过去。第三个参数jboolean*会反应本次操作是否发生了拷贝。为了保险起见，返回的字符串不应该做任何修改，且使用完成应该对应使用ReleaseStringChars和ReleaseStringUTFChars进行释放，防止内存泄漏。

3 Jni中的反射

3.1 访问成员属性

Jni中每个函数都具有JNIEnv*和jobject两个参数，其中jobject在前文中介绍到，是调用者类的对象或者其class。如果当前native方法不是static时，欲访问其成员需要以下步骤（此处假设目标类的某成员属性为 int property = 0）：

1. 获得其class引用：
   jclass clazz = env->GetObjectClass(jobj); // 此处以C++举例
2. 获取成员属性ID：
   jfieldID jfid = env->GetfieldID(clazz, “property”, “I”) //property为属性名，“I”为其类型签名
3. 获取成员属性的值：
   jint val = env->GetIntField(jobj, jfid);
4. 修改成员属性值：
   env->SetIntField(jobj, jfid, val + 100);
   note:当操作私有成员时，需要设置setAccessible(true)后才可以哦！
   如果访问的是静态变量，获取/设置字段需要更换为：
   val = env->GetStaticIntField(clazz, jobj, jfid);
   env->SetStaticIntField(clazz, jobj, jfid, val+100);

3.2 访问成员方法

访问成员方法一般需要按照以下流程（获得类的引用流程基本类似，因此这里我们将前提条件那个了更换，在3.1中假设调用者类就是需要反射的类，此处我们将假定反射任意一个类，例如类名为：FooClass，目标方法为：void methodName(String, int) ）:

1. 获得class引用,对于任意一个存在的类，需要使用FindClass来查找：
   jclass clz = env->FindClass(“FooClass”);
2. 查找需要使用的 （假设是静态方法，与普通方法流程一致，但调用函数名有区别）
   jmethodID jmeid = env->GetStaticMethodID(clz, “methodName”, "
   (Ljava/lang/String;I)V");
3. 调用该静态方法
   env->CallStaticVoidMethod(clz,jmeid,“test”,100);