Android NDK开发（五）：JNI基础
1 JNI简介
概念：JNI（Java Native Interface）java本地化接口，狭义上是SUN定义的一套标准接口，广义上是标准接口、结构体、符号常量等的集合。
作用：实现 java代码 和 本地代码（以C/C++为主）的交互，包括数据类型的相互转换、互调彼此的方法。
实现形式：JNI的具体实现是由本地语言编写的数据类型、常量、函数、类、结构体等，是JDK中的一揽子本地文件，其中比较有代表性的jni.h及jni.cpp在OpenJDK的\openjdk\hotspot\src\share\vm\prims路径下，java程序启动时，JNI的代码被加载到java虚拟机中。
使用位置：在本地代码中使用，通过引用jni.h即可使用JNI定义的数据类型、方法、结构体等；利用JNI中定义的JNIEnv结构体，可通过函数指针调用JNI的函数。
（注意：JNI是java的，NDK是Android的）
效率：假设java调用java方法时间是1，java通过JNI调用本地方法时间约为3，本地通过JNI调用Java方法的时间大约是10。
层次结构：为便于理解，用三层来进一步说明JNI的作用，其中本地层指C/C++的源码或库，java本身无法调用本地层代码，需要在本地层外面用C/C++语言并按照JNI标准，封装一层JNI，虽然JNI使用C/C++编写，但JNI函数不同于本地层函数，具体不同在于方法参数（JNI函数必须含有JNIEnv*和jobject/jclass两个类型的形参）、数据类型、命名上，后面会详细说明，这些不同使得java层可以和JNI层相互调用，而由于JNI是用C/C++实现的，故JNI层可以与本地层相互调用，这就间接实现了java与本地层的相互调用。其中java层调用JNI层，需要先建立映射再函数查找，JNI层调用java层直接通过反射机制。
2 JNI定义的数据类型、引用的种类及类型描述符
（1）JNI定义的与java数据类型对应的数据类型
JNI定义了java的数据类型与C/C++数据类型的对应关系，基本类型定义如下：
| java基本数据类型 | JNI定义的在C/C++中对应的基本类型 | JNI起的别名(typedef) |
| short | short（有符号16位） | jshort |
| int | int（有符号32位） | jint |
| long | long long（有符号64位） | jlong |
| float | float（有符号32位） | jfloat |
| double | double（有符号64位） | jdouble |
| char | unsigned short（无符号16位） | jchar |
| boolean | unsigned char（无符号8位） | jboolean |
| byte | signed char（有符号8位） | jbyte |
注意：
（1）java层的 true 和 false 转化为本地层后，会用1和0表示；而本地层的 非零值 和 0 转化到本地层后，会用java层的true和fasle表示。
（2）JNI层的 jboolean 实际上是本地层的unsigned char，故可对jboolean 类型的变量赋予整形常量（不超过255）
（3）本地层C++也有true和false关键字，不同于java的true和false，前者实际上代表数值1和0，可直接赋值给C++的其他基本类型变量，如int类型变量；而对于java的true和false，不是数值，只能赋值给boolean类型变量。
由上表可知，JNI用C/C++的部分基本类型来对应java的基本类型，那么JNI把java的引用类型对应成C/C++的啥类型呢？请看下表：
| java的引用类型 | JNI定义的在C++中对应的指针类型 | JNI起的别名(typedef) |
| Object类及其子类 |
class _jobject {}; _jobject* |
jobject、jweak（JNI多定义的弱全局引用） |
| Class类 | class _jclass : public _jobject {}; _jclass* |
jclass |
| String类 | class _jstring : public _jobject {}; _jstring* |
jstring |
| class _jarray : public _jobject {}; | jarray（JNI数组类型的父类） | |
| Object[ ] | class _jobjectArray : public _jarray {}; _jobjectArray* |
jobjectArray |
| boolean[ ] | class _jbooleanArray : public _jarray {}; _jbooleanArray* |
jbooleanArray |
| byte[ ] | class _jbyteArray : public _jarray {}; _jbyteArray* |
jbyteArray |
| chart[ ] | class _jcharArray : public _jarray {}; _jcharArray* |
jcharArray |
| short[ ] | class _jshortArray : public _jarray {}; _jshortArray* |
jshortArray |
| int[ ] | class _jintArray : public _jarray {}; _jintArray* |
jintArray |
| long[ ] | class _jlongArray : public _jarray {}; _jlongArray* |
jlongArray |
| float[ ] | class _jfloatArray : public _jarray {}; _jfloatArray* |
jfloatArray |
| double[ ] | class _jdoubleArray : public _jarray {}; _jdoubleArray* |
jdoubleArray |
| Throwable[ ] | class _jthrowable : public _jobject {}; _jthrowable* |
jthrowable |
由上表可知，JNI用C++的指针类型来对应java的引用类型，JNI定义了C++的类型来对应Java中比较常用的类，并用C++相应类的指针类型，对应java常用类的引用类型；值得注意的是，JNI将java中的数组引用类型也对应成C++中的指针类型。
（2）JNI引用的种类
JNI定义的引用类型其本质是C++中的指针类型，这里我们称之为JNI中的引用类型，那么由JNI引用类型定义的变量的我们称之为JNI引用变量，JNI引用变量的值我们称之为JNI引用，JNI引用的种类如下：
| JNI引用种类 | 生命周期 | 创建 | 释放 | 特点 |
| 局部引用（LocalRef） | 仅在当前线程当前方法中有效 | 在本地方法中，若无特殊处理，创建的引用都是局部引用 | 本地方法结束后，JavaVM自动释放；也可通过JNI方法DeleteLocalRef手动释放 | 所引用的对象不会被GC； |
| 全局引用（GlobalRef） | 多线程、多方法中有效 | 需要通过JNI方法NewGlobalRef并基于局部引用手动创建 | 需要通过JNI方法DeleteGlobalRef手动释放 | 所引用的对象不会被GC； |
| 弱全局引用（GlobalWeakRef） | 多线程、多方法中有效 | 需要通过JNI方法NewGlobalWeakRef并基于局部引用手动创建 | 需要通过JNI方法DeleteGlobalWeakRef手动释放 | 所引用的对象不保证不被GC； |
（注意：对于LocalRef，每个JavaVM有一个LocalRefTable（局部引用表），最大可存储512个局部引用，如果局部引用超过512将报错，导致程序崩溃，如果本地方法在结束前会创建大量局部引用，一定要手动释放！！）
（注意：局部引用、全局引用和局部引用变量、全局引用变量得定义方式是不同的，局部引用变量、全局引用变量是看变量是定义在函数内还是函数外）
（注意：一般不使用GlobalWeakRef！）
（注意：不要试图将局部引用赋值给全局引用变量，即不要缓存局部引用，若需缓存，请将局部引用转为全局引用并赋值给全局引用变量；也不要将全局引用赋值给局部引用变量，这没有意义。）
（注意：一般不使用GlobalWeakRef！）
（3）JNI定义的其他数据类型
JNI除了定义了与java数据类型对应的数据类型之外，还定义了一些自己的数据类型，都定义在jni.h头文件中，具体如下：
1）jfieldID及jmethodID
定义：
struct _jfieldID; /* opaque structure */
typedef struct _jfieldID* jfieldID; /* field IDs */
struct _jmethodID; /* opaque structure */
typedef struct _jmethodID* jmethodID; /* method IDs */
说明：_jfieldID、_jmethodID是结构体类型， jfieldID、jmethodID是指向相应结构体的指针变量，通常只会用到jfieldID、jmethodID，jni.h中隐藏了_jfieldID、_jmethodID的实现细节。
作用：jfieldID用于本地调用Java类或对象的属性时，jmethodID用于本地调用Java类或对象的方法时。
2）JNINativeInterface、_JNIEnv、JNIEnv
定义：
#if defined(__cplusplus)
typedef _JNIEnv JNIEnv;
typedef _JavaVM JavaVM;
#else
typedef const struct JNINativeInterface* JNIEnv;
typedef const struct JNIInvokeInterface* JavaVM;
#endif
struct JNINativeInterface{
jint (*GetVersion)(JNIEnv *);
........
}
struct _JNIEnv {
const struct JNINativeInterface* functions;
jint GetVersion() { return functions->GetVersion(this);
.......
}
说明：JNINativeInterface 结构体中定义了JNI标准的全部方法，_JNIEnv 结构体采用修饰模式，内部持有JNINativeInterface结构体实例的指针，包装了JNINativeInterface结构体的方法。在C++中JNIEnv是_JNIEnv 结构体类型的别名，在C中JNIEnv是 JNINativeInterface* 指针类型的别名，一般我们直接使用JNIEnv，后面我们统一用JNIEnv描述。
作用：JNI的大部分方法都需通过JNIEnv实例调用。
（注意：JNIEnv的实例是与线程相关的，每个线程都有一个，jni可能有多个JNIEnv，不同线程的JNIEnv实例彼此独立，线程间不能共享JNIEnv实例，所以不要尝试将JNIEnv实例缓存为全局的）
（注意：在C++与C中使用JNIEnv指针变量调用JNI方法时，使用方式稍有差别，后面会详细说）
3）JavaVM、JNIInvokeInterface
定义：
#if defined(__cplusplus)
typedef _JNIEnv JNIEnv;
typedef _JavaVM JavaVM;
#else
typedef const struct JNINativeInterface* JNIEnv;
typedef const struct JNIInvokeInterface* JavaVM;
#endif
struct JNIInvokeInterface {
void* reserved0;
void* reserved1;
void* reserved2;
jint (*DestroyJavaVM)(JavaVM*);
jint (*AttachCurrentThread)(JavaVM*, JNIEnv**, void*);
jint (*DetachCurrentThread)(JavaVM*);
jint (*GetEnv)(JavaVM*, void**, jint);
jint (*AttachCurrentThreadAsDaemon)(JavaVM*, JNIEnv**, void*);
};
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*/
};
说明：JNIInvokeInterface 结构体中定义了本地代码操作JavaVM及获取JNIEnv的方法，_JavaVM 结构体采用修饰模式，内部持有JNIInvokeInterface 结构体实例的指针，包装了JNIInvokeInterface 结构体的方法。在C++中JavaVM是_JavaVM 结构体类型的别名，在C中JavaVM是 JNIInvokeInterface* 指针类型的别名，一般我们直接使用JavaVM，后面我们统一用JavaVM描述。
作用：用于获取JavaVM实例，通过JavaVM实例可获取跟本地线程相关的JNIEnv实例，从而让在本地开启的线程在没有java native方法传递来的JNIEnv实例的情况下 能获取JNIEnv实例调用java方法。
（注意：JavaVM是java虚拟机在JNI层的代表，在一个java进程中只有一个JavaVM实例，因此该进程的所有线程都可以使用这个JavaVM实例，故可考虑将JavaVM缓存为全局的）。
（注意：JavaVM结构体的方法指针指向java invocation API，Invocation API用于把JVM嵌入到本地程序中）
4）JNINativeMethod
定义：
typedef struct {
const char* name;
const char* signature;
void* fnPtr;
} JNINativeMethod;
说明：变量name是Java中函数的名字；变量signature是Java方法通过描述符表示的方法签名
；变量fnPtr是函数指针，指向本地函数，使用时前面都要接加(void *)，其name与fnPtr是对应的，一个是java层方法名，一个是native方法名。
作用：用于JNI动态注册（后面会说），每个JNINativeMethod实例都表示一个本地方法与java方法的映射关系。
（4）JNI定义的描述符
JNI定义描述符是为了让本地代码通过JNI调用java时，准确找到Java的类或方法，JNI描述符如下：
| java元素 | JNI描述符 |
| int | I |
| long | J |
| byte | B |
| short | S |
| char | C |
| float | F |
| double | D |
| boolean | Z |
| void | V |
| 引用类型 | L+全类名； |
| 类型[] | [类型 |
| 方法 | (形参类型)返回值类型 |
例子：
| String[] | [Ljava/lang/String; |
| int[][] | [[I |
| long f (int n, String s, int[] arr); | (ILjava/lang/String;[I)J |
（注意：引用类型是L+全类名；，并将全类名中的“.” 换成“/”，在最后加上；）
（5）JNI定义的宏
1）JNIEXPORT
定义：
#define JNIEXPORT __attribute__ ((visibility ("default")))
作用：用于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。定义JNI函数时可以不加，默认可以导出。
（注意：也可在JNI函数前直接加__attribute__ ((visibility ("default")))，若将“default”改成“hidden”，则外界无法找到该函数）
2）JNICALL
定义：
#define JNICALL
作用：只用于说明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，定义JNI函数时可以不加。
3）JNI_FALSE 及 JNI_TRUE
定义：
#define JNI_FALSE 0
#define JNI_TRUE 1
作用：JNI定义的字符常量，用来在本地代码中表示真假。
3 JNI定义的接口简介
JNI定义的接口全在jni.h中，根据接口的实现方式不同可分为JNI自己实现的、间接调用java invocation API的、.间接调用so的，java invocation API及so为JNI暴露一些有用的方法。以下为方法简介，后续会结合使用详细说明：
| 接口 | 位置 | 实现 | 作用 |
| JNI定义的接口 | JNINativeInterface结构体中的接口 | JNI自己 | 本地代码与java代码交互 |
| JNIInvokeInterface结构体中的接口及JNI_CreateJavaVM、JNI_GetCreatedJavaVMs、JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs | 调用java invocation API相关的方法 | 用于将JVM嵌入到本地程序中 | |
| JNI_OnLoad JNI_OnUnload |
调用.so库相关方法 | java加载、卸载so库时，会在JNI层回调，可用于JNI动态注册、持久化JavaVM等 |
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