Android NDK开发篇(五)：Java与原生代码通信(数据操作)

  虽然说使用NDK可以提高Android程序的执行效率，但是调用起来还是稍微有点麻烦。NDK可以直接使用Java的原生数据类型，而引用类型，因为Java的引用类型的实现在NDK被屏蔽了，所以在NDK使用Java的引用类型则要做相应的处理。

  一、对引用数据类型的操作

  虽然Java的引用类型的实现在NDK被屏蔽了，JNI还是提供了一组API，通过JNIEnv接口指针提供原生方法修改和使用Java的引用类型。

    1、字符串操作

    JNI把Java的字符串当作引用来处理，在NDK中使用Java的字符串，需要相关的API进行转换。JNI支持Unicode编码和UTF-8编码的字符串，有两组函数通过JNIEnv接口指针处理这些字符串编码：

jstring javaString;
javaString = (*env)->NewStringUTF(env, "Hello World");

    该方法生成一个的UTF-8编码字符串。

    2、Java字符串转C字符串

    要在原生方法中使用Java字符串，需要将Java字符串转成C字符串。可以调用GetStringChars函数：

const jbyte *str;
jboolean isCopy;

str = (*env)->GetStringUTFChars(env, javaString, &isCopy);

    第三个参数isCopy，可以用作判断该函数返回的字符串是否是Java字符串的副本，还是直接指向Java字符串的内存。

    3、释放字符串

    通过JNIEnv调用的GetStringChars和GetStringUTFChars函数获得的C字符串在使用完后要正确释放，否则就会造成内存泄漏。可通过ReleaseStringUTFChars函数(用于释放Unicode)和ReleaseStringUTFChars函数(用于释放UTF-8)释放字符串。

(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, javaString, str);
(*env)->ReleaseStringChars(env, javaString, str);

  二、数组操作

  JNI把Java的数组也是当作引用类型处理的，不过JNI还是提供了函数操作Java数组的。

    1、创建数组

    直接用New<Type>Array函数可以创建数组实例。Type可以是原生数据类型，也可以是Object，使用相应的API传递参数确定大小。

jintArray array;
array = (*env)->NewIntArray(env, 10);
if (0 == array) {
    // do it
}

    2、访问数组

    JNI有两种方式可以访问Java数组，可以将数组的代码复制成C数组，然后再操作C数组，完成后提交修改，这样效率有点低。另外一办法是让JNI直接提供指向数组元素的指针。

    方法一：使用副本，调用Get<Type>ArrayRegion函数复制，Set<Type>ArrayRegion函数提交修改

// 将Java数组复制到C数组
jintArray javaArray;
jint array[10];

// ...

// 复制数组
(*env)->GetIntArrayRegion(env, javaArray, 0, 10, array);

// do it

// 提交修改
(*env)->SetIntArrayRegion(env, javaArray, 0, 10, array);

    当数组很大的时候，这个方法的效率就很低。

    方法二：直接操作指针，调用Get<Type>ArrayElements函数获取数组的指针

jint *array;
jboolean isCopy;
jintArray javaArray;

// ...

array = (*env)->GetIntArrayElements(env, javaArray, &isCopy);

    第三个参数isCopy的作用同Java字符串转C字符串，是否为Java数组的副本。

    使用完之后，就要马上释放，否则会造成内存泄漏，释放函数是Release<Type>ArrayElements

(*env)->ReleaseIntArrayElements(env, javaArray, array, 0);

    第三个参数0代表将内容复制回来并释放原生数组。如果是JNI_COMMIT，则复制回来，但不释放。JNI_ABORT，释放但不复制回来。

  三、NIO操作

  JNI提供NIO操作函数，使Java可以使用的原生代码创建的缓冲区。相比数组操作，NIO缓冲区的数据传输性能更好，适合在原生代码和Java应用之间传输大量数据。

    1、创建字节缓冲区，使用NewDirectByteBuffer方法

unsigned char *buff = (unsigned char *) malloc(1024);

// ...

jobject directBuff;
directBuff = (*env)->NewDirectByteBuffer(env, buffer, 1024);

    需要注意的是，原生方法的内存分配不在虚拟机的管理范围，所以需要手动管理内存避免内存泄漏。

    2、获取Java字节缓冲区

    Java也可以创建字节缓冲区，在原生方法中调用GetDirectBufferAddress函数获取原生字节数组的内存地址

unsigned char *buff;
jbyteArray directBuffer;

// ...

buffer = (unsigned char *) (*env)->GetDirectBufferAddress(env, directBuffer);

  四、访问域

  原生方法想要获取Java的成员变量和调用Java的成员函数，就要通过JNI提供的访问域方法。

  Java有两种域，分别是实例域和静态域。类的对象有个自己实例域的副本，而类一个的所有对象共用同一个静态域。有一下Java类，JavaClass:

public class JavaClass {
	
	private String instanceField = "instance filed";
	
	private static String staticField = "static filed";
	
	private String getInstanceField() {
		return instanceField;
	}
	
	private static String getStaticField() {
		return staticField;
	}
}

    1、获取域ID

    JNI通过域ID来访问两种域，可以通过实例的获取class对象，然后获取域ID，使用GetObjectClass函数可以获得class对象

jclass clazz;
jobject instance;

// ...

clazz = (*env)->GetObjectClass(env, instance);

    根据域的类型不同，使用GetFieldId函数获取实例域ID，GetStaticFieldId获取静态域ID，返回类型均为jfieldID;

jfieldID fieldId;

// 获取实例域ID
fieldId = (*env)->GetFieldID(env, clazz, "instanceField", "Ljava/lang/String;");

// 获取静态域ID
fieldId = (*env)->GetStaticFieldID(env, clazz, "staticField", "Ljava/lang/String;");

    两个函数的最后一个参数是Java中表示域类型的域描述符。

    可以缓存最频繁使用的域ID，这样可以提高性能。

    2、获取域

    获取域ID之后，就可以通过Get<Type>Field函数来获取实例域，通过GetStatic<Type>Field获取静态域

jstring field;

// 获取实例域
field = (*env)->GetObjectField(env, instance, fieldId);

// 获取静态域
field = (*env)->GetStaticObjectField(env, clazz, fieldId);

    获取一个Java域的值就要调用两到三个JNI函数，非常麻烦，而且效率也比较低，建议把需要的参数传递给原生方法，这样可以提高性能。

  四、调用方法

    1、获取方法ID

    和域一样，Java的方法有两类，访问这两类方法，先要获取方法的ID,使用GetMethodID和GetStaticMethodID，返回值类型为jmethodID。

jmethodID methodId;

// 获取实例方法ID
methodId = (*env)->GetMethodID(env, clazz, "getInstanceField", "()Ljava/lang/String;");

// 获取静态方法ID
methodId = (*env)->GetStaticMethodID(env, clazz, "getStaticField", "()Ljava/lang/String;");

    两个方法的最后一个参数表示的方法描述符，在Java中表示方法签名。

    2、调用方法

    以方法ID为参数通过调用Call<ReturnType>Method和CallStatic<ReturnType>Method函数调用方法。

jstring result;

// 调用实例方法
result = (*env)->CallStringMethod(env, instance, methodId);

// 调用静态方法
result = (*env)->CallStaticStringMethod(env, clazz, methodId);

    Java方法和原生代码的转换代价比较大，建议在类设计的时候要规划好，这样才能提高性能。

  五、域和方法描述符

  使用Java的成员变量和方法，都必须通过域描述符号和方法描述符来获取域和方法的ID。Java类型的签名映射关系如下：

Boolean -> Z

Byte -> B

Char -> C

Short -> S

Int -> I

Long -> J

Float -> F

Double -> D

其它类 -> L + 类名(包名用’\‘分隔)

type[] -> [type

方法 -> (参数类型签名) + 返回类型签名

  可见使用起来相当麻烦。

  关于Java与原生代码之间的通信，如果发生了内存泄漏，API就会返回NULL，崩溃的时候如果没有抛出异常，那么原生代码就会停止运行，应用程序会发生闪退。