Android-深入理解JNI

1. JNI

1.1 JNI概念

  JNI是Java Native Interface的缩写，java本地调用，JNI是一种技术，可以做到以下两点：
  1.java程序中函数可以调用Native语言写的函数，Native一般指的是C/C++编写的函数
  2.Native程序中的函数可以调用Java层的函数，也就是说，C/C++程序中可以调用java的函数

问题一： 在平台无关的java中，为什么要创建一个与Native相关的JNI技术，这不是破坏java的平台无关特性吗？
  1.java的虚拟机是用Native语言写的，而虚拟机又运行在具体的平台上，所以，虚拟机本身无法做到与平台无关，然而，有了JNI技术后就可以对java层屏蔽不同操作系统平台（window和linux）之间的差异（例如，window上API使用openfile函数，linux上API使用open函数），这样就能实现java本身的平台无关特性。
  2.在java出世之前，很多的东西都是拿Native写的，java也是为了避免重复造轮子，并且一些要求效率和速度的场合还是需要Native参与。

1.2 学习JNI的实例：MediaScanner

  1.java世界对应的是MediaScanner，然而MediaScanner类中的一些函数需要Native层来实现。
  2.JNI层对应的是libmedia_jni.so，media_jni是JNI库的名字，其中，下划线前的media是Native层库的名字，这里就是libmedia库，下划线jni表示他是一个JNI库。注意，JNI库名字可以随便取，但是Android平台上基本都采用 “lib模块名_jni.so” 的命名方式。
  3.Native层对应的是libmedia.so，这个库完成了实际的功能。
  4.MediaScanner将通过JNI库libmedia_jni.so和Native层的libmedia.so交互。
注意：
  1.JNI层必须实现为动态库的形式，这样java虚拟机才能加载并调用它的函数。
  2.MediaScanner是Android平台中多媒体系统的重要组成部分，他的功能是扫描媒体文件，得到歌曲时长，歌曲作者等媒体信息，并将他们存入媒体数据库中，提供其他应用程序使用。

1.3 Java层的MediaScanner

加载JNI库
  java如果要调用Native函数就必须在JNI层通过加载一个动态库实现，原则上，动态库的加载时间是在调用Native函数之前，但实际中通行的做法是在类的static语句中加载，调用System.loadLibrary方法，System.loadLibrary方法的参数是动态库的名字，media_jni,系统会自动根据不同的平台拓展成真实的动态库文件名。

总结：
  JNI技术使用需要完成下面两项工作就可以使用JNI：
    1.加载对应的JNI库
    2.声明由关键字navtive修饰的函数

1.4 JNI层MediaScanner

  MediaScanner简称MS

1.4.1 注册JNI函数

  因为在Native语言中，符号“.”有着特殊的意义，所以JNI层需要把Java函数名称中的“.”替换成“_”，这样native_init找到了自己JNI层的本家兄弟android.media.MediaScanner.native_init

  JNI函数的注册问题就是将java层的native函数JNI层对应的实现函数关联起来，有了这种关联，调用java层的native函数时，就能顺利转到JNI层对应的函数执行，JNI函数的注册方法有两种：

1.静态方法
  根据函数名来找到对应JNI函数，它需要java的工具程序javah参与，先编写java代码，然后编译生成.class文件，使用java的工具程序叫做javah，如 java -o output packagename,这样它会深层次一个叫output.h的JNI层头文件，其中packagename.classname是java代码编译后的class文件，而在生成的output.h文件里，声明了对应的JNI层函数，只要实现里面的函数就行。

注意：
  需要头文件

问题： 解释一下静态方法中native函数是如何找到对应的JNI函数的？
  当java层调用native_init函数时，它会从对应的JNI库中寻找java_android_media_Media-Scanner_native_linit函数，如果没有就会报错，如果找到，则会为这个native_init和java_android_media_MediaScanner_native_linit建立一个关联关系，其实就是保存JNI层函数的指针，以后再调用native_init函数时，直接使用这个函数指针就可以了，当然这项工作是由虚拟机完成的。
  本质上静态方法就是根据函数名来建立java函数和JNI函数之间的关联关系，而且它要求JNI层函数的名字必须遵循特定的格式，弊端：
  1.需要编译所有声明了native函数的java类，每个所生成的class文件都得用javah生成一个头文件。
  2.javah生成的JNI层函数名字特别长，书写不方便。
  3.初次调用native函数时需要根据函数名字搜索对应的JNI层函数来建立关联关系，这样会影响运行效率。

解决方案：
  java native函数是通过函数指针来和JNI层函数建立关联关系的，如果直接让native函数知道JNI层对应的函数指针，就可以了。

2.动态注册
  既然java native函数和JNI函数是一一对应的，在JNI技术中，用来记录这种关系的是一个叫做JNINativeMethod的结构

  MediaScanner JNI层对这个结构体的使用

  AndroidRunTime类提供了一个registerNativeMethods函数来完成注册工作，实现如下：

  这些动态注册函数在java层通过System.loadLibrary加载完JNI动态库后，紧接着会查找该库中的一个叫做JNI_OnLoad的函数，如果有就调用它，动态注册的工作就是在这里完成的。

1.4.2 数据类型转换

  java数据类型分为基本数据类型和引用数据类型，JNI层会区别对待两者。

基本数据类型的转换

引用数据类型的转换

1.4.3 JNIEnv介绍

  JNIEvn是一个与线程相关的代表JNI环境的结构体，JNIEnv的内部结构：

  JNIEnv实际上就是提供了一些JNI系统函数，通过这些函数可以调用Java的函数，操作jobject对象很多事情。
  JNIEnv是一个与线程相关的变量，也就是说，线程A有一个JNIEnv，线程B有一个JNIEnv，由于线程相关，不能在线程B中使用线程A的JNIEnv结构体。JNIEnv都是native函数转换成为JNI层函数后由虚拟机传进来的，但是，但当后台线程收到一个网络消息，而又需要Native层函数主动回调Java层函数时，我们不能保存另一个线程的JNIEnv结构体，然后把它放到后台线程中来用，我们可以使用JNI_OnLoad函数中的第一个参数JavaVM：

  无论进程由多少个线程，因为JavaVM独此一份，所以在任何地方都可以使用它。JavaVM和JNIEnv关系如下：
  1.调用JavaVM的AttachCurrentThread函数，就可以得到这个线程的JNIEnv结构体，这样就可以在后台线程中回调Java函数了
  2.在后台线程推出前，需要调用JavaVM的DetachCurrentThread函数来释放对应的资源。

1.4.4 通过JNIEnv操作jobject

  java的引用类型除了少数几个外，最终在JNI层都会用jobject来表示对象的数据类型，如果想要操作jobject，本质上就是操作对象的成员变量和成员函数

1.jfieldID和jmethodID介绍
  在JNI规则中，用jfieldID和jmethodID来表示java类的成员变量和成员函数，可以通过JNIEnv的下面两个函数得到：

  jclass代表Java类，name表示成员函数或者成员变量的名字，sig为这个函数和变量的签名信息。

  将scanFile和handleStringTag函数的jmethodID保存为MyMediaScannerClient的成员变量，，如果每次操作jobject前都去查询jmethodID或jfieldID，那么将会影响程序运行的效率，所以我们在初始化的时候可以取出这些ID保存起来，以后使用。

2.jfieldID和jmethodID使用
  通过JNIEnv输出CallVoidMethod，再把jobject、jMethodID和对应的参数传进去，JNI层就能够调用Java对象的函数。
  jfieldID操作jobject的成员变量：获得fieldID后，可调用Get< type >Field系列函数获取jobjet对应的成员函数的值，或者调用Set< type >Field系列函数来设置jobject对应的成员变量的值。

1.4.5 jstring介绍

  java中的string也是引用类型，不过由于它的使用频率比较高，所以在JNI规范中单独创建了一个jstring类型来表示java中的string类型，但是它并没有提供成员函数以便操作，而C++中的string类是有自己的成员函数的，所以操作jstring还是要依靠JNIEnv提供帮助。

1.4.6 JNI类签名介绍

  动态注册的一段代码

这个y很长的字符串声明意思？
  根据前面说的，这是java中对应函数的签名信息，由参数类型和返回值类型共同组成，为什么需要这个签名信息？
  因为Java支持函数重载，因此，可以定义同名但是不同参数的函数，但是，仅仅通过函数名是没有办法找到具体函数的。为了解决，JNI技术中就将参数类型和返回值类型的组合作为一个函数的签名信息，有了签名信息和函数名，就能很顺利地找到Java中的函数。因为这个函数签名很长很麻烦，可以在具体编码的时定义一个字符串宏，这样改起来方便。


  Java提供了一个叫javap的工具能帮助生成函数或变量的签名信息，用法如下：

javap -s -p xxx

1.4.7 垃圾回收

  Java中创建的对象最后是由垃圾回收器来回收和释放内存的，JNI一共提供了三种类型的引用。
  1.Local Reference：本地引用，就是在JNI层函数中使用的非全局引用对象都是Local Reference，它包括函数调用时传入的jobject和JNI层函数中创建的jobject。Local Reference最大的特点就是，一旦JNI层函数返回，这些jobject就可能被垃圾回收。
  2.Global Reference：全局引用，这种对象不主动释放，他永远不会被会垃圾回收。
  3.Weak Global Reference：弱全局引用，一种特殊的Global Reference，在运行过程中可能会被垃圾回收，所以在使用它之前，需要调用JNIEnv的IsSameObject判断它是否被回收了。
  因此，没有及时回收Local Reference或许是进程占用内存过多的一个原因。

1.4.8 JNI中的异常处理

  JNI中的异常和C++、Java中的异常不太一样，如果调用JNIEnv的某些函数出问题了，会产生一个异常，但是这个异常不会中断本地函数的执行，直到JNI层返回到Java层后，虚拟机才会抛出这个异常，虽然在JNI层中产生的异常不会中断本地函数的运行，但一旦产生异常后，就只能做一些资源清理工作了，比如释放全局引用，如果这个时候调用JNIEnv的其他函数，会导致程序死掉。

JNI层函数可以在代码中截获和修改这些异常，JNIEnv提供了三个函数:
  1.ExceptionOccured函数，用来判断是否发生异常
  2.ExceptionClear函数，用来清理当前JNI层中发生的异常
  3.ThrowNew函数，用来向Java层抛出异常。

1.5 重点

  1.JNI函数的注册方法
  2.Java和JNI层数据类型的转换
  3.JNIEnv和jstring的使用方法，以及JNI中的类型签名
  4.垃圾回收在JNI层中的使用，以及异常处理方面的知识