JNI NDK入门详解

Android开发中,由于各种原因(跨平台,高性能,敏感数据处理等),这时候需要用到大家耳熟能详的JNI(Java Native Interface).本篇文章将带大家复习一下JNI中那些常用的知识点.所以本文中没有一些基本环境配置的讲解,如果需要的话,可以先阅读一下我之前写的:

JNI初识 HelloWorld
JNI Java与C的相互调用与基本操作

本文相关demo: https://github.com/xfhy/AllInOne/blob/master/app/src/main/cpp/native-lib.cpp

先来看下目录:

JNI NDK入门详解

1. JNI开发流程

编写java类,声明了native方法
编写native代码
将native代码编译成so文件
在java类中引入so库,调用native方法

2. native方法命名

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_xfhy_jnifirst_MainActivity_callJavaMethod(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    
}

函数命名规则: Java_类全路径_方法名

函数参数:

JNIEnv*是定义任意native函数的第一个参数,是指向JNI环境的指针,可以通过它来访问JNI提供的接口方法.
jobject: 表示Java对象中的this. 如果是静态方法则是用jclass
JNIEXPORT和JNICALL: 它们是JNI中所定义的宏,可以在jni.h这个头文件中查找到.

3. JNI数据类型及与Java数据类型的映射关系

首先在Java代码里写个native方法声明,然后alt+enter让AS帮忙创建一个native方法.看看类型对应关系

public static native void ginsengTest(short s, int i, long l, float f, double d, char c,
                                   boolean z, byte b, String str, Object obj, MyClass p, int[] arr);

Java_com_xfhy_jnifirst_MainActivity_ginsengTest(JNIEnv *env, jclass clazz, jshort s, jint i, jlong l, jfloat f, jdouble d, jchar c,
                                                jboolean z, jbyte b, jstring str, jobject obj, jobject p, jintArray arr) {

}

上面的方法定义上看,除了JNIEnv和jclass之外,其他都是一一对应的.故可以总结出如下表格:

Java和JNI的类型对照表

java 类型	Native 类型	符号属性	字长
boolean	jboolean	无符号	8 位
byte	jbyte	有符号	8 位
char	jchar	无符号	16 位
short	jshort	有符号	16 位
int	jint	有符号	32 位
long	jlong	有符号	64 位
float	jfloat	有符号	32 位
double	jdouble	有符号	64 位

引用类型对照表

java 类型	Native 类型
java.lang.Class	jclass
java.lang.Throwable	jthrowable
java.lang.String	jstring
java.lang.Object[]	jobjectArray
Boolean[]	jbooleanArray
Byte[]	jbyteArray
Char[]	jcharArray
Short[]	jshortArray
int[]	jintArray
long[]	jlongArray
float[]	jfloatArray
double[]	jdoubleArray

3.1 基本数据类型

基本数据类型其实就是将C/C++中的基本类型用typedef重新定义了一个新的名字,在JNI中可以直接访问.

/* Primitive types that match up with Java equivalents. */
typedef uint8_t  jboolean; /* unsigned 8 bits */
typedef int8_t   jbyte;    /* signed 8 bits */
typedef uint16_t jchar;    /* unsigned 16 bits */
typedef int16_t  jshort;   /* signed 16 bits */
typedef int32_t  jint;     /* signed 32 bits */
typedef int64_t  jlong;    /* signed 64 bits */
typedef float    jfloat;   /* 32-bit IEEE 754 */
typedef double   jdouble;  /* 64-bit IEEE 754 */

3.2 引用数据类型

如果使用C++语言编写,则所有引用派生自jobject.

class _jobject {};
class _jclass : public _jobject {};
class _jstring : public _jobject {};
class _jarray : public _jobject {};
class _jobjectArray : public _jarray {};
class _jbooleanArray : public _jarray {};
class _jbyteArray : public _jarray {};
class _jcharArray : public _jarray {};
class _jshortArray : public _jarray {};
class _jintArray : public _jarray {};
class _jlongArray : public _jarray {};
class _jfloatArray : public _jarray {};
class _jdoubleArray : public _jarray {};
class _jthrowable : public _jobject {};

JNI使用C语言时,所有引用类型使用jobject.

4. JNI 字符串处理

4.1 native操作JVM的数据结构

JNI会把Java中所有对象当做一个C指针传递到本地方法中,这个指针指向JVM内部数据结构,而内部的数据结构在内存中的存储方式是不可见的.只能从JNIEnv指针指向的函数表中选择合适的JNI函数来操作JVM中的数据结构.

比如native访问java.lang.String 对应的JNI类型jstring时,不能像访问基本数据类型那样使用,因为它是一个Java的引用类型,所以在本地代码中只能通过类似GetStringUTFChars这样的JNI函数来访问字符串的内容.

4.2 字符串操作

先来看一下例子:


//调用
String result = operateString("待操作的字符串");
Log.d("xfhy", result);

//定义
public native String operateString(String str);

extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_xfhy_jnifirst_MainActivity_operateString(JNIEnv *env, jobject thiz, jstring str) {
    //从java的内存中把字符串拷贝出来  在native使用
    const char *strFromJava = (char *) env->GetStringUTFChars(str, NULL);
    if (strFromJava == NULL) {
        //必须空检查
        return NULL;
    }

    //将strFromJava拷贝到buff中,待会儿好拿去生成字符串
    char buff[128] = {0};
    strcpy(buff, strFromJava);
    strcat(buff, " 在字符串后面加点东西");

    //释放资源
    env->ReleaseStringUTFChars(str, strFromJava);

    //自动转为Unicode
    return env->NewStringUTF(buff);
}

输出为:待操作的字符串在字符串后面加点东西

4.2.1 native中获取JVM字符串

operateString函数接收一个jstring类型的参数str,jstring是指向JVM内部的一个字符串,不能直接使用.首先需要将jstring转为C风格的字符串类型char*,然后才能使用,这里必须使用合适的JNI函数来访问JVM内部的字符串数据结构.(上例中使用的是GetStringUTFChars)

GetStringUTFChars(jstring string, jboolean* isCopy)参数说明:

string : jstring,Java传递给native代码的字符串指针
isCopy : 一般情况下传NULL. 取值是JNI_TRUE和JNI_FALSE.如果是JNI_TRUE则会返回JVM内部源字符串的一份拷贝,并为新产生的字符串分配内存空间.如果是JNI_FALSE则返回JVM内部源字符串的指针,意味着可以在native层修改源字符串,但是不推荐修改,Java字符串的原则是不能修改的.

Java中默认是使用Unicode编码,C/C++默认使用UTF编码,所以在native层与java层进行字符串交流的时候需要进行编码转换.GetStringUTFChars就刚好可以把jstring指针(指向JVM内部的Unicode字符序列)的字符串转换成一个UTF-8格式的C字符串.

4.2.2 异常处理

在使用GetStringUTFChars的时候,返回的值可能为NULL,这时需要处理一下,否则继续往下面走的话,使用这个字符串的时候会出现问题.因为调用这个方法时,是拷贝,JVM为新生成的字符串分配内存空间,当内存空间不够分配的时候,会导致调用失败.调用失败就会返回NULL,并抛出OutOfMemoryError.JNI遇到未决的异常不会改变程序的运行流程,还是会继续往下走.

4.2.3 释放字符串资源

native不像Java,我们需要手动释放申请的内存空间.GetStringUTFChars调用时会新申请一块空间用来装拷贝出来的字符串,这个字符串用来方便native代码访问和修改之类的. 既然有内存分配,那么就必须手动释放,释放方法是ReleaseStringUTFChars.可以看到和GetStringUTFChars是一一对应的,配对的.

4.2.4 构建字符串

使用NewStringUTF函数可以构建出一个jstring,需要传入一个char *类型的C字符串.它会构建一个新的java.lang.String字符串对象,并且会自动转换成Unicode编码. 如果JVM不能为构造java.lang.String分配足够的内存,则会抛出一个OutOfMemoryError异常,并返回NULL.

4.2.5 其他字符串操作函数

GetStringChars和ReleaseStringChars: 这对函数和Get/ReleaseStringUTFChars函数功能类似,用于获取和释放的字符串是以Unicode格式编码的.
GetStringLength: 获取Unicode字符串(jstring)的长度. UTF-8编码的字符串是以\0结尾,而Unicode的不是,所以这里需要单独区分开.
GetStringUTFLength: 获取UTF-8编码字符串的长度,就是获取C/C++默认编码字符串的长度.还可以使用标准C函数strlen来获取其长度.
strcat: 拼接字符串,标准C函数. eg:strcat(buff, "xfhy"); 将xfhy添加到buff的末尾.
GetStringCritical和ReleaseStringCritical: 为了增加直接传回指向Java字符串的指针的可能性(而不是拷贝).在这2个函数之间的区域,是绝对不能调用其他JNI函数或者让线程阻塞的native函数.否则JVM可能死锁. 如果有一个字符串的内容特别大,比如1M,且只需要读取里面的内容打印出来,此时比较适合用该对函数,可直接返回源字符串的指针.
GetStringRegion和GetStringUTFRegion: 获取Unicode和UTF-8字符串中指定范围的内容(eg: 只需要1-3索引处的字符串),这对函数会将源字符串复制到一个预先分配的缓冲区(自己定义的char数组)内.

extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_xfhy_jnifirst_MainActivity_operateString(JNIEnv *env, jobject thiz, jstring str) {
    //方式2  用GetStringUTFRegion方法将JVM中的字符串拷贝到C/C++的缓冲区(数组)中
    //获取Unicode字符串长度
    int len = env->GetStringLength(str);
    char buff[128];
    env->GetStringUTFRegion(str, 0, len, buff);
    LOGI("-------------- %s", buff);

    //自动转为Unicode
    return env->NewStringUTF(buff);
}

GetStringUTFRegion会进行越界检查,越界会抛StringIndexOutOfBoundsException异常.GetStringUTFRegion其实和GetStringUTFChars有点相似,但是GetStringUTFRegion内部不会分配内存,不会抛出内存溢出异常. 由于其内部没有分配内存,所以也没有类似Release这样的函数来释放资源.

4.2.6 字符串小结

Java字符串转C/C++字符串: 使用GetStringUTFChars函数,必须调用ReleaseStringUTFChars释放内存
创建Java层需要的Unicode字符串,使用NewStringUTF函数
获取C/C++字符串长度,使用GetStringUTFLength或者strlen函数
对于小字符串,GetStringRegion和GetStringUTFRegion这2个函数是最佳选择,因为缓冲区数组可以被编译器提取分配,不会产生内存溢出的异常.当只需要处理字符串的部分数据时,也还是不错.它们提供了开始索引和子字符串长度值,复制的消耗也是非常小
获取Unicode字符串和长度,使用GetStringChars和GetStringLength函数

5. 数组操作

5.1 基本类型数组

基本类型数组就是JNI中的基本数据类型组成的数组,可以直接访问.下面举个简单例子,int数组求和:

//MainActivity.java
public native int sumArray(int[] array);

extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_xfhy_jnifirst_MainActivity_sumArray(JNIEnv *env, jobject thiz, jintArray array) {
    //数组求和
    int result = 0;

    //方式1  推荐使用
    jint arr_len = env->GetArrayLength(array);
    //动态申请数组
    jint *c_array = (jint *) malloc(arr_len * sizeof(jint));
    //初始化数组元素内容为0
    memset(c_array, 0, sizeof(jint) * arr_len);
    //将java数组的[0-arr_len)位置的元素拷贝到c_array数组中
    env->GetIntArrayRegion(array, 0, arr_len, c_array);
    for (int i = 0; i < arr_len; ++i) {
        result += c_array[i];
    }
    //动态申请的内存 必须释放
    free(c_array);

    return result;
}

C层拿到jintArray之后首先需要获取它的长度,然后动态申请一个数组(因为Java层传递过来的数组长度是不定的,所以这里需要动态申请C层数组),这个数组的元素是jint类型的.malloc是一个经常使用的拿来申请一块连续内存的函数,申请之后的内存是需要手动调用free释放的.然后就是调用GetIntArrayRegion函数将Java层数组拷贝到C层数组中,然后求和,看起来还是so easy的.

下面还看另一种求和方式:

extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_xfhy_jnifirst_MainActivity_sumArray(JNIEnv *env, jobject thiz, jintArray array) {
    //数组求和
    int result = 0;

    //方式2  
    //此种方式比较危险,GetIntArrayElements会直接获取数组元素指针,是可以直接对该数组元素进行修改的.
    jint *c_arr = env->GetIntArrayElements(array, NULL);
    if (c_arr == NULL) {
        return 0;
    }
    c_arr[0] = 15;
    jint len = env->GetArrayLength(array);
    for (int i = 0; i < len; ++i) {
        //result += *(c_arr + i); 写成这种形式,或者下面一行那种都行
        result += c_arr[i];
    }
    //有Get,一般就有Release
    env->ReleaseIntArrayElements(array, c_arr, 0);

    return result;
}

直接通过GetIntArrayElements函数拿到原数组元素指针,直接操作,就可以拿到元素求和.看起来要简单很多,但是这种方式我个人觉得是有点危险的,毕竟这种可以在C层直接进行源数组修改.GetIntArrayElements的第二个参数一般传NULL,传递JNI_TRUE是返回临时缓冲区数组指针(即拷贝一个副本),传递JNI_FALSE则是返回原始数组指针.

这里简单小结一下: 推荐使用Get/SetArrayRegion函数来操作数组元素是效率最高的.自己动态申请数组,自己操作,免得影响Java层.

5.2 对象数组

对象数组中的元素是一个类的实例或其他数组的引用,不能直接访问Java传递给JNI层的数组.

操作对象数组稍显复杂,下面举一个例子,在native层创建一个二维数组,且赋值并返回给Java层使用.(ps: 第二维是int[],它属于对象)

public native int[][] init2DArray(int size);

//交给native层创建->Java打印输出
int[][] init2DArray = init2DArray(3);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    for (int i1 = 0; i1 < 3; i1++) {
        Log.d("xfhy", "init2DArray[" + i + "][" + i1 + "]" + " = " + init2DArray[i][i1]);
    }
}

extern "C"
JNIEXPORT jobjectArray JNICALL
Java_com_xfhy_jnifirst_MainActivity_init2DArray(JNIEnv *env, jobject thiz, jint size) {
    //创建一个size*size大小的二维数组

    //jobjectArray是用来装对象数组的   Java数组就是一个对象 int[]
    jclass classIntArray = env->FindClass("[I");
    if (classIntArray == NULL) {
        return NULL;
    }
    //创建一个数组对象,元素为classIntArray
    jobjectArray result = env->NewObjectArray(size, classIntArray, NULL);
    if (result == NULL) {
        return NULL;
    }
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        jint buff[100];
        //创建第二维的数组 是第一维数组的一个元素
        jintArray intArr = env->NewIntArray(size);
        if (intArr == NULL) {
            return NULL;
        }
        for (int j = 0; j < size; ++j) {
            //这里随便设置一个值
            buff[j] = 666;
        }
        //给一个jintArray设置数据
        env->SetIntArrayRegion(intArr, 0, size, buff);
        //给一个jobjectArray设置数据 第i索引,数据位intArr
        env->SetObjectArrayElement(result, i, intArr);
        //及时移除引用
        env->DeleteLocalRef(intArr);
    }

    return result;
}

比较复杂,分析一下

首先是利用FindClass函数找到java层int[]对象的class,这个class是需要传入NewObjectArray创建对象数组的.调用NewObjectArray函数之后,即可创建一个对象数组,大小是size,元素类型是前面获取到的class.
进入for循环构建size个int数组,构建int数组需要使用NewIntArray函数.可以看到我构建了一个临时的buff数组,然后大小是随便设置的,这里是为了示例,其实可以用malloc动态申请空间,免得申请100个空间,可能太大或者太小了.整buff数组主要是拿来给生成出来的jintArray赋值的,因为jintArray是Java的数据结构,咱native不能直接操作,得调用SetIntArrayRegion函数,将buff数组的值复制到jintArray数组中.
然后调用SetObjectArrayElement函数设置jobjectArray数组中某个索引处的数据,这里将生成的jintArray设置进去.
最后需要将for里面生成的jintArray及时移除引用.创建的jintArray是一个JNI局部引用,如果局部引用太多的话,会造成JNI引用表溢出.

ps: 在JNI中,只要是jobject的子类就属于引用变量,会占用引用表的空间. 而基础数据类型jint,jfloat,jboolean等是不会占用引用表空间的,不需要释放.

6. native调Java方法

前面已经叙述了如何在Java中调用native方法,这里将带大家看看native如何调用Java方法.

ps: 在JVM中,运行一个Java程序时,会先将运行时需要用到的所有相关class文件加载到JVM中,并按需加载,提高性能和节约内存.当我们调用一个类的静态方法之前,JVM会先判断该类是否已经加载,如果没有被ClassLoader加载到JVM中,会去classpath路径下查找该类.找到了则加载该类,没有找到则报ClassNotFoundException异常.

6.1 native调用Java静态方法

为了演示代码简洁,方便理清核心内容,已删除各种NULL判断.

我先写一个MyJNIClass.java类

public class MyJNIClass {

    public int age = 18;

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public static String getDes(String text) {
        if (text == null) {
            text = "";
        }
        return "传入的字符串长度是 :" + text.length() + "  内容是 : " + text;
    }

}

然后去native调用getDes方法,为了复杂一点,这个getDes方法不仅有入参,还有返参.

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_xfhy_allinone_jni_CallMethodActivity_callJavaStaticMethod(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    //调用某个类的static方法

    //JVM使用一个类时,是需要先判断这个类是否被加载了,如果没被加载则还需要加载一下才能使用
    //1. 从classpath路径下搜索MyJNIClass这个类,并返回该类的Class对象
    jclass clazz = env->FindClass("com/xfhy/allinone/jni/MyJNIClass");
    //2. 从clazz类中查找getDes方法 得到这个静态方法的方法id
    jmethodID mid_get_des = env->GetStaticMethodID(clazz, "getDes", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;");
    //3. 构建入参,调用static方法,获取返回值
    jstring str_arg = env->NewStringUTF("我是xfhy");
    jstring result = (jstring) env->CallStaticObjectMethod(clazz, mid_get_des, str_arg);
    const char *result_str = env->GetStringUTFChars(result, NULL);
    LOGI("获取到Java层返回的数据 : %s", result_str);

    //4. 移除局部引用
    env->DeleteLocalRef(clazz);
    env->DeleteLocalRef(str_arg);
    env->DeleteLocalRef(result);
}

看起来好像比较简单,native的代码其实是短小精悍,这里面涉及的知识点挺多.

首先是调用FindClass函数,传入Class描述符(Java类的全类名,这里在AS中输入MyJNIClass时会有提示补全,直接enter即可补全),找到该类,得到jclass类型.
然后通过GetStaticMethodID找到该方法的id,传入方法签名,得到jmethodID类型的引用(存储方法的引用).(这里输入getDes时,AS也会有补全功能,按enter直接把签名带出来了,真tm方便). 这里先使用AS的自动补全功能把方法签名带出来,后面会详细说这个方法签名是什么.
构建入参,然后调用CallStaticObjectMethod去调用Java类里面的静态方法,然后传入参数,返回的直接就是Java层返回的数据. 其实这里的CallStaticObjectMethod是调用的引用类型的静态方法,与之相似的还有: CallStaticVoidMethod(无返参),CallStaticIntMethod(返参是Int),CallStaticFloatMethod,CallStaticShortMethod.他们的用法是一致的.
移除局部引用

ps: 函数结束后,JVM会自动释放所有局部引用变量所占的内存空间. 这里还是手动释放一下比较安全,因为在JVM中维护着一个引用表,用于存储局部和全局引用变量. 经测试发现在Android低版本(我测试的是Android 4.1)上,这个表的最大存储空间是512个引用,,当超出这个数量时直接崩溃.当我在高版本,比如小米 8(安卓10)上,这个引用个数可以达到100000也不会崩溃,只是会卡顿一下.可能是硬件比当年更牛逼了,默认值也跟着改了.

下面是引用表溢出时所报的错误(要得到这个错还挺难的,得找一个比较老旧的设备才行):

E/dalvikvm: JNI ERROR (app bug): local reference table overflow (max=512)
E/dalvikvm: Failed adding to JNI local ref table (has 512 entries)
E/dalvikvm: VM aborting
A/libc: Fatal signal 11 (SIGSEGV) at 0xdeadd00d (code=1), thread 2561 (m.xfhy.allinone)

下面是我拿来还原错误的native代码,这里刚好是513个就会异常,低于513就不会.说明早年的一些设备确实是以512作为最大限度.当我们APP需要兼容老设备(一般都需要吧,哈哈)的话,这肯定是需要注意的点.

extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_xfhy_allinone_jni_CallMethodActivity_testMaxQuote(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    //测试Android虚拟机引用表最大限度数量

    jclass clazz = env->FindClass("java/util/ArrayList");
    jmethodID constrId = env->GetMethodID(clazz, "", "(I)V");
    jmethodID addId = env->GetMethodID(clazz, "add", "(ILjava/lang/Object;)V");
    jobject arrayList = env->NewObject(clazz, constrId, 513);
    for (int i = 0; i < 513; ++i) {
        jstring test_str = env->NewStringUTF("test");
        env->CallVoidMethod(arrayList, addId, 0, test_str);
        //这里应该删除的  局部引用
        //env->DeleteLocalRef(test_str);
    }

    return arrayList;
}

补充:

后来我在一篇文章中发现,

局部引用溢出在Android不同版本上表现有所区别.Android 8.0之前局部引用表的上限是512个引用,Android 8.0之后局部引用表上限提升到了8388608个引用.(这里我没有实际测试,但是基本符合我上面的测试).
而Oracle Java没有局部引用表上限限制,随着局部引用表不断增大,最终会OOM.

6.2 native调用Java实例方法

下面演示在native层创建Java实例,并调用该实例的方法,大致上是和上面调用静态方法差不多的.

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_xfhy_allinone_jni_CallMethodActivity_createAndCallJavaInstanceMethod(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    //构建一个类的实例,并调用该实例的方法

    //特别注意 : 正常情况下,这里的每一个获取出来都需要判空处理,我这里为了展示核心代码,就不判空了
    //这里输入MyJNIClass之后AS会提示,然后按Enter键即可自动补全
    jclass clazz = env->FindClass("com/xfhy/allinone/jni/MyJNIClass");
    //获取构造方法的方法id
    jmethodID mid_construct = env->GetMethodID(clazz, "", "()V");
    //获取getAge方法的方法id
    jmethodID mid_get_age = env->GetMethodID(clazz, "getAge", "()I");
    jmethodID mid_set_age = env->GetMethodID(clazz, "setAge", "(I)V");
    jobject jobj = env->NewObject(clazz, mid_construct);

    //调用方法setAge
    env->CallVoidMethod(jobj, mid_set_age, 20);
    //再调用方法getAge 获取返回值 打印输出
    jint age = env->CallIntMethod(jobj, mid_get_age);
    LOGI("获取到 age = %d", age);

    //凡是使用是jobject的子类,都需要移除引用
    env->DeleteLocalRef(clazz);
    env->DeleteLocalRef(jobj);
}

这里还是使用上面的MyJNIClass类

找到该类的class
获取构造方法的id,获取需要调用方法的id. 其中获取构造方法时,方法名称固定写法就是,然后后面是方法签名.
利用NewObject()函数构建一个Java对象
调用Java对象的setAge和getAge方法,获取返回值,打印结果.这里调用了CallIntMethod和CallVoidMethod,相信大家一看名字就能猜出来,这是干啥的.就是调用返回值是int和void的方法.和上面的CallStaticIntMethod类似.
删除局部引用 !!!

6.3 方法签名

调用Java方法需要使用jmethodID,每次获取jmethodID都需要传入方法签名.明明已经传入了方法名称,感觉就已经可以调这个方法了啊,为啥还需要传入一个方法签名? 因为Java方法存在重载,可能方法名是相同的,但是参数不同.所以这里必须传入方法签名以区别.

方法签名格式为: (形参参数类型列表)返回值 , 引用类型以L开头,后面是类的全路径名.

Java基本类型与方法签名中的定义关系:

Java	Field Descriptor
boolean	Z
byte	B
char	C
short	S
int	I
long	J
float	F
double	D
int[]	[I

下面给出一个示例:

public String[] testString(boolean a, byte b, float f, double d, int i, int[] array)

env->GetMethodID(clazz,"testString", "(ZBFDI[I)[Ljava/lang/String;")

6.4 native调用Java方法小结

获取一个类的Class实例,得使用FindClass函数,传入类描述符.JVM会从classpath目录下去查找该类.
创建一个类的实例是使用NewObject方法,需传入class引用和构造方法的id.
局部引用(只要是jobject的子类就属于引用变量,会占用引用表的空间)一定记得及时移除掉,否则会引用表溢出.低版本上很容易就溢出了(低版本上限512).
方法签名格式: (形参参数类型列表)返回值
在使用FindClass和GetMethodID的时候,一定得判空.基操.
获取实例方法ID,使用GetMethodID函数;获取静态方法ID,使用GetStaticMethodID函数;获取构造方法ID,方法名称使用
调用实例方法使用CallXXMethod函数,XX表示返回数据类型.eg:CallIntMethod() ; 调用静态方法使用CallStaticXXMethod函数.

7. NDK Crash错误定位

当NDK发生错误某种致命的错误的时候,会导致APP闪退.这类错误非常不好查问题,比如内存地址访问错误,使用野指针,内存泄露,堆栈溢出,数字除0等native错误都会导致APP崩溃.

虽然这些NDK错误不好排查,但是我们在NDK错误发生后,拿到logcat输出的堆栈日志,再结合下面的2款调试工具--addr2line和ndk-stack,能够精确地定位到相应发生错误的代码行数,然后迅速找到问题.

首先到ndk目录下,来到sdk/ndk/21.0.6113669/toolchains/目录,我本地的目录如下,可以看到NDK交叉编译器工具链的目录结构.

aarch64-linux-android-4.9
arm-linux-androideabi-4.9
llvm
renderscript
x86-4.9
x86_64-4.9

其中ndk-stack放在$NDK_HOME目录下，与ndk-build同级目录。addr2line在ndk的交叉编译器工具链目录下.NDK针对不同的CPU架构实现了多套工具.在使用addr2line工具时,需要根据当前手机cpu架构来选择.我的手机是aarch64的,则使用aarch64-linux-android-4.9目录下的工具. 查看手机的cpu信息的命令:adb shell cat /proc/cpuinfo

在介绍两款调试工具之前,我们得先写好能崩溃的native代码,方便看效果. 我在demo的native-lib.cpp里面写了如下代码:

void willCrash() {
    JNIEnv *env = NULL;
    int version = env->GetVersion();
}

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_xfhy_allinone_jni_CallMethodActivity_nativeCrashTest(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    LOGI("崩溃前");
    willCrash();
    //后面的代码是执行不到的,因为崩溃了
    LOGI("崩溃后");
    printf("oooo");
}

这段代码,是很明显的空指针错误.我本来想搞一个除0错误的,但是除0死活不崩溃,,,不知道为啥(进化了?). 然后运行起来,错误日志如下:

2020-06-07 17:05:25.230 12340-12340/? A/DEBUG: *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***
2020-06-07 17:05:25.230 12340-12340/? A/DEBUG: Build fingerprint: 'Xiaomi/dipper/dipper:10/QKQ1.190828.002/V11.0.8.0.QEACNXM:user/release-keys'
2020-06-07 17:05:25.230 12340-12340/? A/DEBUG: Revision: '0'
2020-06-07 17:05:25.230 12340-12340/? A/DEBUG: ABI: 'arm64'
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG: Timestamp: 2020-06-07 17:05:25+0800
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG: pid: 11527, tid: 11527, name: m.xfhy.allinone  >>> com.xfhy.allinone <<<
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG: uid: 10319
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG: signal 11 (SIGSEGV), code 1 (SEGV_MAPERR), fault addr 0x0
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG: Cause: null pointer dereference
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x0  0000000000000000  x1  0000007fd29ffd40  x2  0000000000000005  x3  0000000000000003
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x4  0000000000000000  x5  8080800000000000  x6  fefeff6fb0ce1f1f  x7  7f7f7f7fffff7f7f
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x8  0000000000000000  x9  a95a4ec0adb574df  x10 0000007fd29ffee0  x11 000000000000000a
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x12 0000000000000018  x13 ffffffffffffffff  x14 0000000000000004  x15 ffffffffffffffff
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x16 0000006fc6476c50  x17 0000006fc64513cc  x18 00000070b21f6000  x19 000000702d069c00
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x20 0000000000000000  x21 000000702d069c00  x22 0000007fd2a00720  x23 0000006fc6ceb127
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x24 0000000000000004  x25 00000070b1cf2020  x26 000000702d069cb0  x27 0000000000000001
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     x28 0000007fd2a004b0  x29 0000007fd2a00420
2020-06-07 17:05:25.237 12340-12340/? A/DEBUG:     sp  0000007fd2a00410  lr  0000006fc64513bc  pc  0000006fc64513e0
2020-06-07 17:05:25.788 12340-12340/? A/DEBUG: backtrace:
2020-06-07 17:05:25.788 12340-12340/? A/DEBUG:       #00 pc 00000000000113e0  /data/app/com.xfhy.allinone-4VScOmUWz8wLqqwBWZCP2w==/lib/arm64/libnative-lib.so (_JNIEnv::GetVersion()+20) (BuildId: b1130c28a8b45feda869397e55c5b6d754410c8d)
2020-06-07 17:05:25.788 12340-12340/? A/DEBUG:       #01 pc 00000000000113b8  /data/app/com.xfhy.allinone-4VScOmUWz8wLqqwBWZCP2w==/lib/arm64/libnative-lib.so (willCrash()+24) (BuildId: b1130c28a8b45feda869397e55c5b6d754410c8d)
2020-06-07 17:05:25.788 12340-12340/? A/DEBUG:       #02 pc 0000000000011450  /data/app/com.xfhy.allinone-4VScOmUWz8wLqqwBWZCP2w==/lib/arm64/libnative-lib.so (Java_com_xfhy_allinone_jni_CallMethodActivity_nativeCrashTest+84) (BuildId: b1130c28a8b45feda869397e55c5b6d754410c8d)
2020-06-07 17:05:25.788 12340-12340/? A/DEBUG:       #03 pc 000000000013f350  /apex/com.android.runtime/lib64/libart.so (art_quick_generic_jni_trampoline+144) (BuildId: 2bc2e11d57f839316bf2a42bbfdf943a)
2020-06-07 17:05:25.788 12340-12340/? A/DEBUG:       #04 pc 0000000000136334  /apex/com.android.runtime/lib64/libart.so (art_quick_invoke_stub+548) (BuildId: 2bc2e11d57f839316bf2a42bbfdf943a)

看到这种错误,首先找到关键信息Cause: null pointer dereference,但是我们不知道发生在具体哪里,只知道是这个错误.

7.1 addr2line

有了错误日志,现在我们使用工具addr2line来定位位置.

需要执行命令 /Users/xfhy/development/sdk/ndk/21.0.6113669/toolchains/aarch64-linux-android-4.9/prebuilt/darwin-x86_64/bin/aarch64-linux-android-addr2line -e /Users/xfhy/development/AllInOne/app/libnative-lib.so 00000000000113e0 00000000000113b8,这其中-e是指定so文件的位置,然后末尾的00000000000113e0和00000000000113b8是出错位置的汇编指令地址.

执行之后,结果如下:

/Users/xfhy/development/sdk/ndk/21.0.6113669/toolchains/llvm/prebuilt/darwin-x86_64/sysroot/usr/include/jni.h:497
/Users/xfhy/development/AllInOne/app/src/main/cpp/native-lib.cpp:260

可以看到是native-lib.cpp的260行出的问题.我们只需要去找到这个位置,修复这个bug即可.完美,瞬间就找到了.

7.2 ndk-stack

还有一种更简单的方式,直接输入命令adb logcat | ndk-stack -sym /Users/xfhy/development/AllInOne/app/build/intermediates/cmake/debug/obj/arm64-v8a,末尾是so文件的位置.执行完命令,然后在手机上产生native错误就能在这个so文件中定位到这个错误点,如下:

********** Crash dump: **********
Build fingerprint: 'Xiaomi/dipper/dipper:10/QKQ1.190828.002/V11.0.8.0.QEACNXM:user/release-keys'
#00 0x00000000000113e0 /data/app/com.xfhy.allinone-oVu0tjta-aW9LYa08eoK1Q==/lib/arm64/libnative-lib.so (_JNIEnv::GetVersion()+20) (BuildId: b1130c28a8b45feda869397e55c5b6d754410c8d)
                                                                                                        _JNIEnv::GetVersion()
                                                                                                        /Users/xfhy/development/sdk/ndk/21.0.6113669/toolchains/llvm/prebuilt/darwin-x86_64/sysroot/usr/include/jni.h:497:14
#01 0x00000000000113b8 /data/app/com.xfhy.allinone-oVu0tjta-aW9LYa08eoK1Q==/lib/arm64/libnative-lib.so (willCrash()+24) (BuildId: b1130c28a8b45feda869397e55c5b6d754410c8d)
                                                                                                        willCrash()
                                                                                                        /Users/xfhy/development/AllInOne/app/src/main/cpp/native-lib.cpp:260:24
#02 0x0000000000011450 /data/app/com.xfhy.allinone-oVu0tjta-aW9LYa08eoK1Q==/lib/arm64/libnative-lib.so (Java_com_xfhy_allinone_jni_CallMethodActivity_nativeCrashTest+84) (BuildId: b1130c28a8b45feda869397e55c5b6d754410c8d)
                                                                                                        Java_com_xfhy_allinone_jni_CallMethodActivity_nativeCrashTest
                                                                                                        /Users/xfhy/development/AllInOne/app/src/main/cpp/native-lib.cpp:267:5

可以看出是willCrash()方法出的错,它的代码行数是260行(甚至连列都打印出来了,,第24列).

8. JNI 引用

Java平时在新创建对象的时候,不需要管JVM是怎么申请内存的,使用完之后也不需要管JVM是如何释放内存的.而C++不同,需要我们手动申请和释放内存(new->delete,malloc->free). 在使用JNI时,由于本地代码不能直接通过引用操作JVM内部的数据结构,要进行这些操作必须调用相应的JNI接口间接操作JVM内部的数据内容.我们不需要关心JVM中对象的是如何存储的,只需要学习JVI中的三种不同引用即可.

8.1 JNI 局部引用

本地函数中通过NewLocalRef或调用FindClass、NewObject、GetObjectClass、NewCharArray等创建的引用,就是局部引用.

会阻止GC回收所引用的对象
不能跨线程使用
不在本地函数中跨函数使用
释放: 函数返回后局部引用所引用的对象会被JVM自动释放,也可以调用DeleteLocalRef释放

通常是在函数中创建并使用的.上面提到了: 局部引用在函数返回之后会自动释放,那么我们为啥还需要去管它(手动调用DeleteLocalRef释放)呢?

比如,开了一个for循环,里面不断地创建局部引用,那么这时就必须得使用DeleteLocalRef手动释放内存.不然局部引用会越来越多,导致崩溃(在Android低版本上局部引用表的最大数量有限制,是512个,超过则会崩溃).

还有一种情况,本地方法返回一个引用到Java层之后,如果Java层没有对返回的局部引用使用的话,局部引用就会被JVM自动释放.

8.2 JNI 全局引用

全局引用是基于局部引用创建的,调用NewGlobalRef方法.

会阻止GC回收所引用的对象
可以跨方法、跨线程使用
JVM不会自动释放,需调用DeleteGlobalRef手动释放

8.3 JNI 弱全局引用

弱全局引用是基于局部引用或者全局引用创建的,调用NewWeakGlobalRef方法.

不会阻止GC回收所引用的对象
可以跨方法、跨线程使用
引用不会自动释放,只有在JVM内存不足时才会进行回收而被释放. 还有就是可以调用DeleteWeakGlobalRef手动释放.

参考

Android Developers NDK 指南 C++ 库支持 https://developer.android.com/ndk/guides/cpp-support.html
JNI/NDK开发指南 https://blog.csdn.net/xyang81/column/info/blogjnindk
android 内存泄露之jni local reference table overflow (max=512) https://www.cnblogs.com/lzl-sml/p/3520052.html
Android JNI 局部引用溢出(local reference table overflow (max=512)) https://blog.csdn.net/lylwo317/article/details/103105413
Android JNI介绍（七）- 引用的管理 https://juejin.im/post/5e04b2236fb9a0162c487ef8#heading-2
JNI开发之局部引用、全局引用和弱全局引用（三）https://zhuanlan.zhihu.com/p/93115458

JNI NDK入门详解

1. JNI开发流程

2. native方法命名

3. JNI数据类型及与Java数据类型的映射关系

3.1 基本数据类型

3.2 引用数据类型

4. JNI 字符串处理

4.1 native操作JVM的数据结构

4.2 字符串操作

4.2.1 native中获取JVM字符串

4.2.2 异常处理

4.2.3 释放字符串资源

4.2.4 构建字符串

4.2.5 其他字符串操作函数

4.2.6 字符串 小结

5. 数组操作

5.1 基本类型数组

5.2 对象数组

6. native调Java方法

6.1 native调用Java静态方法

6.2 native调用Java实例方法

6.3 方法签名

6.4 native调用Java方法 小结

7. NDK Crash错误定位

7.1 addr2line

7.2 ndk-stack

8. JNI 引用

8.1 JNI 局部引用

8.2 JNI 全局引用

8.3 JNI 弱全局引用

参考

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4.2.6 字符串小结

6.4 native调用Java方法小结