android:JNI与Android VM之关系
23.JNI与Android VM之关系
1. 从如何载入*.so档案谈起
由于Android的应用层级类别都是以Java撰写的，这些Java类别转译为Dex型式的Bytecode之后，必须仰赖Dalvik虚拟机器(VM: Virtual Machine)来执行之。VM在Android平台里，扮演很重要的角色。
此外，在执行Java类别的过程中，如果Java类别需要与C组件沟通时，VM就会去加载C组件，然后让Java的函数顺利地呼叫到C组件的函数。此时，VM扮演着桥梁的角色，让Java与C组件能透过标准的JNI接口而相互沟通。
应用层级的Java类别是在虚拟机器(VM: Vitual Machine)上执行的，而C组件不是在VM上执行，那么Java程序又如何要求VM去加载(Load)所指定的C组件呢? 可使用下述指令：
System.loadLibrary(*.so的檔名);
例如，在上一节的范例里的NativeJniAdder类别，其程序代码：
看看 Android框架里所提供的MediaPlayer.java类别，内含指令：
public class MediaPlayer{
static {
System.loadLibrary("media_jni");
}
……..
}
这要求VM去加载Android的/system/lib/libmedia_jni.so档案。载入*.so档之后，Java类别与*.so档就汇合起来，一起执行了。
2. 如何撰写*.so的入口函数
---- JNI_OnLoad()与JNI_OnUnload()函数之用途
当VM执行到System.loadLibrary()函数时，首先会去执行C组件里的JNI_OnLoad()函数。它的用途有二：
1. 告诉VM此C组件使用那一个JNI版本。如果你的*.so文件没有提供JNI_OnLoad()函数，VM会默认该*.so檔是使用最老的JNI 1.1版本。由于新版的JNI做了许多扩充，如果需要使用JNI的新版功能，例如JNI 1.4的 java.nio.ByteBuffer, 就必须藉由JNI_OnLoad()函数来告知VM。
2. 由于VM执行到System.loadLibrary()函数时，就会立即先呼叫JNI_OnLoad()，所以C组件的开发者可以藉由JNI_OnLoad()来进行C组件内的初期值之设定(Initialization)。
例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so档案里，就提供了JNI_OnLoad()函数，其程序代码片段为：
//#define LOG_NDEBUG 0
#define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"
………
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed/n");
goto bail;
}
assert(env != NULL);
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaRecorder(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaRecorder native registration failed/n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaScanner native registration failed/n");
goto bail;
}
if (register_android_media_MediaMetadataRetriever(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaMetadataRetriever native registration failed/n");
goto bail;
}
/* success -- return valid version number */
result = JNI_VERSION_1_4;
bail:
return result;
}
// KTHXBYE
此函数回传JNI_VERSION_1_4值给VM，于是VM知道了其所使用的JNI版本了。此外，它也做了一些初期的动作(可呼叫任何本地函数)，例如指令：
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n");
goto bail;
}
就将此组件提供的各个本地函数(Native Function)登记到VM里，以便能加快后续呼叫本地函数之效率。
JNI_OnUnload()函数与JNI_OnLoad()相对应的。在加载C组件时会立即呼叫JNI_OnLoad()来进行组件内的初期动作；而当VM释放该C组件时，则会呼叫JNI_OnUnload()函数来进行善后清除动作。当VM呼叫JNI_OnLoad()或JNI_Unload()函数时，都会将VM的指标(Pointer)传递给它们，其参数如下：
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
………
}
jint JNI_OnUnload(JavaVM* vm, void* reserved){
………
}
在JNI_OnLoad()函数里，就透过VM之指标而取得JNIEnv之指标值，并存入env指针变量里，如下述指令：
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
LOGE("ERROR: GetEnv failed/n");
goto bail;
}
}
由于VM通常是多执行绪(Multi-threading)的执行环境。每一个执行绪在呼叫JNI_OnLoad()时，所传递进来的JNIEnv指标值都是不同的。为了配合这种多执行绪的环境，C组件开发者在撰写本地函数时，可藉由JNIEnv指标值之不同而避免执行绪的数据冲突问题，才能确保所写的本地函数能安全地在Android的多执行绪VM 里安全地执行。基于这个理由，当在呼叫C组件的函数时，都会将JNIEnv指标值传递给它，如下：
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
JNIEnv* env = NULL;
……….
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
……….
}
}
这JNI_OnLoad()呼叫register_android_media_MediaPlayer(env)函数时，就将env指标值传递过去。如此，在register_android_media_MediaPlayer()函数就能藉由该指标值而区别不同的执行绪，以便化解数据冲突的问题。
例如，在register_android_media_MediaPlayer()函数里，可撰写下述指令：
if ((*env)->MonitorEnter(env, obj) != JNI_OK) {
……….
}
查看是否已经有其它执行绪进入此对象，如果没有，此执行绪就进入该对象里执行了。还有，也可撰写下述指令：
if ((*env)->MonitorExit(env, obj) != JNI_OK) {
………
}
查看是否此执行绪正在此对象内执行，如果是，此执行绪就会立即离开。
3. registerNativeMethods()函数之用途
应用层级的Java类别透过VM而呼叫到本地函数。一般是仰赖VM去寻找*.so里的本地函数。如果需要连续呼叫很多次，每次都需要寻找一遍，会多花许多时间。此时，组件开发者可以自行将本地函数向VM进行登记。例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so档案里的程序代码片段如下：
//#define LOG_NDEBUG 0
#define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI"
………
static JNINativeMethod gMethods[] = {
{"setDataSource", "(Ljava/lang/String;)V",
(void *)android_media_MediaPlayer_setDataSource},
{"setDataSource", "(Ljava/io/FileDescriptor;JJ)V",
(void *)android_media_MediaPlayer_setDataSourceFD},
{"prepare", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_prepare},
{"prepareAsync", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_prepareAsync},
{"_start", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_start},
{"_stop", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_stop},
{"getVideoWidth", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getVideoWidth},
{"getVideoHeight", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getVideoHeight},
{"seekTo", "(I)V", (void *)android_media_MediaPlayer_seekTo},
{"_pause", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_pause},
{"isPlaying", "()Z", (void *)android_media_MediaPlayer_isPlaying},
{"getCurrentPosition", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getCurrentPosition},
{"getDuration", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getDuration},
{"_release", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_release},
{"_reset", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_reset},
{"setAudioStreamType", "(I)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setAudioStreamType},
{"setLooping", "(Z)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setLooping},
{"setVolume", "(FF)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setVolume},
{"getFrameAt", "(I)Landroid/graphics/Bitmap;",
(void *)android_media_MediaPlayer_getFrameAt},
{"native_setup", "(Ljava/lang/Object;)V",
(void *)android_media_MediaPlayer_native_setup},
{"native_finalize", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_native_finalize},
};
………
static int register_android_media_MediaPlayer(JNIEnv *env){
………
return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
"android/media/MediaPlayer", gMethods, NELEM(gMethods));
}
……….
//
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){
………
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n");
goto bail;
}
……….
}
当VM载入libmedia_jni.so档案时，就呼叫JNI_OnLoad()函数。接着，JNI_OnLoad()呼叫register_android_media_MediaPlayer()函数。此时，就呼叫到AndroidRuntime::registerNativeMethods()函数，向VM(即AndroidRuntime)登记gMethods[]表格所含的本地函数了。简而言之，registerNativeMethods()函数的用途有二：
1. 更有效率去找到函数。
2. 可在执行期间进行抽换。由于gMethods[]是一个<名称，函数指针>对照表，在程序执行时，可多次呼叫registerNativeMethods()函数来更换本地函数之指针，而达到弹性抽换本地函数之目的。