Android JNI 学习（JNI 设计概述） _Android

炒沙作縻终不饱，缕冰文章费工巧。这篇文章主要讲述Android JNI 学习：JNI 设计概述相关的知识，希望能为你提供帮助。
本章我们重点说明以下JNI设计的问题，本章中提到的大多数设计问题都与native方法有关。至于调用相关的API的设计，我们会在后面进行介绍。
一、JNI接口函数和指针native 代码通过调用JNI函数来访问java VM功能。JNI函数可通过接口指针获得。接口指针是指向指针的指针。该指针指向一个指针数组，每个指针指向一个接口函数。每个接口函数都在数组内的预定义偏移处。下图说明了接口指针的组织。

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接口指针JNI接口的组织方式类似于C ++虚函数表或COM接口。使用接口表而不是硬连接函数条目的优点是JNI名称空间与native代码分离。VM可以轻松提供多个版本的JNI功能表。例如，VM可能支持两个JNI函数表：

一个用于平台执行彻底的非法参数检查，适合调试;

另一个执行JNI规范所需的最小量检查，因此更有效。

JNI接口指针仅在当前线程中有效。因此，native方法不能将接口指针从一个线程传递到另一个线程。实现JNI的VM可以在JNI接口指针指向的区域中分配和存储线程本地数据。
Native方法接收JNI接口指针作为参数。当VM从同一Java线程多次调用native方法时，保证将VM传递给native方法。但是，可以从不同的Java线程调用native方法，因此可以接收不同的JNI接口指针。
二、编译，加载和链接native方法由于Java VM是多线程的，因此native库也应该与多线程感知的native编译器一起编译和链接。例如，该-mt标志应该用于使用Sun Studio编译器编译的C ++代码。对于符合GNU gcc编译器的代码，应使用标志-D_REENTRANT或-D_POSIX_C_SOURCE。有关更多信息，请参阅native编译器文档。
使用System.loadLibrary方法加载native方法。在以下示例中，类初始化方法加载特定于平台的native库，其中f定义了native方法：

package pkg; class Cls { native double f(int i, String s); static { System.loadLibrary(“pkg_Cls”); } }

参数System.loadLibrary是由程序员任意选择的库名。系统遵循标准但特定于平台的方法将库名称转换为native库名称。例如，Solaris系统将名称转换pkg_Cls为libpkg_Cls.so，而Win32系统将同名转换pkg_Cls为pkg_Cls.dll。
程序员可以使用单个库来存储任意数量的类所需的所有native方法，只要这些类要使用相同的类加载器加载即可。VM在内部维护每个类加载器的加载native库列表。供应商应选择本地库名称，以尽量减少名称冲突的可能性。
如果底层操作系统不支持动态链接，则必须将所有native方法与VM预先链接。在这种情况下，VM完成System.loadLibrary调用而不实际加载库。
程序员还可以调用JNI函数RegisterNatives()来注册与类关联的native方法。该RegisterNatives()功能对于静态链接功能特别有用。
三、解析native方法名称动态链接器根据其名称解析条目。native方法名称由以下组件连接：

前缀 Java_

一个错位的完全限定的类名

下划线（“_”）分隔符

方法名称

对于重载的native方法，两个下划线（“__”）后跟参数签名

VM检查驻留在native库中的方法的方法名称匹配。VM首先查找短名称; 也就是说，没有参数签名的名称。然后它查找长名称，这是带有参数签名的名称。只有当native方法使用另一个native方法重载时，程序员才需要使用长名称。但是，如果native方法与非native方法具有相同的名称，则这不是问题。非native方法（Java方法）不驻留在native库中。
在以下示例中，g不必使用长名称链接方法g，因为另一种方法不是native方法，因此不在native库中。

class Cls1 { int g(int i); native int g(double d); }

我们采用了一种简单的名称修改方案，以确保所有Unicode字符都转换为有效的C函数名称。
我们使用下划线（“_”）字符代替完全限定类名中的斜杠（“/”）。由于名称或类型描述符从不以数字开头，因此我们可以使用_0...，_9表示转义序列。
native方法和接口API都遵循给定平台上的标准库调用约定。例如，UNIX系统使用C调用约定，而Win32系统使用__stdcall。
四、native方法参数 JNI接口指针是native方法的第一个参数。JNI接口指针的类型为JNIEnv。第二个参数根据native方法是静态方法还是非静态方法而有所不同。非静态native方法的第二个参数是对该对象的引用。静态native方法的第二个参数是对其Java类的引用。
其余参数对应于常规Java方法参数。native方法调用通过返回值将其结果传递回调用例程。下面的一篇文章，我们会介绍Java和C类型之间的映射。
下面的代码声明了C函数来实现native方法f。native方法f声明如下：

package pkg; class Cls { native double f(int i, String s); ... }

具有长错位名称的C函数Java_pkg_Cls_f_ILjava_lang_String_2实现native方法f：
下面代码使用C来实现native方法

jdouble Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2 ( JNIEnv *env,/* interface pointer */ jobject obj,/* "this" pointer */ jint i,/* argument #1 */ jstring s)/* argument #2 */ { /* Obtain a C-copy of the Java string */ const char *str = (*env)-> GetStringUTFChars(env, s, 0); /* process the string */ .../* Now we are done with str */ (*env)-> ReleaseStringUTFChars(env, s, str); return ... }

请注意，我们总是使用接口指针env操作Java对象。使用C++的话，编写的代码如下：

extern "C" /* specify the C calling convention */jdouble Java_pkg_Cls_f__ILjava_lang_String_2 ( JNIEnv *env,/* interface pointer */ jobject obj,/* "this" pointer */ jint i,/* argument #1 */ jstring s)/* argument #2 */ { const char *str = env-> GetStringUTFChars(s, 0); ... env-> ReleaseStringUTFChars(s, str); return ... }

使用C ++，额外的间接级别和接口指针参数从源代码中消失。但是，底层机制与C完全相同。在C ++中，JNI函数被定义为内联成员函数，它们扩展为C对应函数。
五、引用Java对象原始类型（如整数，字符等）在Java和native代码之间复制。另一方面，任意Java对象都通过引用传递。VM必须跟踪已传递给native代码的所有对象，以便垃圾收集器不会释放这些对象。反过来，native代码必须有一种方法来通知VM它不再需要这些对象。此外，垃圾收集器必须能够移动native代码引用的对象。
全局引用和局部引用
JNI将native代码使用的对象引用分为两类：局部引用和全局引用。native引用在native方法调用的持续时间内有效，并在native方法返回后自动释放。全局引用在显式释放之前仍然有效。
对象作为native引用传递给native方法。JNI函数返回的所有Java对象都是局部引用。JNI允许程序员从局部引用创建全局引用。JNI函数，期望Java对象接受全局和局部引用。native方法可以返回对VM的本地或全局引用作为其结果。
在大多数情况下，程序员应该依赖VM在native方法返回后释放所有局部引用。但是，有时程序员应该明确地释放局部引用。例如，考虑以下情况：

native方法访问大型Java对象，从而创建对Java对象的局部引用。然后，native方法在返回调用方之前执行其他计算。对大型Java对象的局部引用将阻止对象被垃圾回收，即使该对象不再用于计算的其余部分。

native方法会创建大量局部引用，但并非所有引用都同时使用。由于VM需要一定的空间来跟踪局部引用，因此创建太多局部引用可能会导致系统内存不足。例如，native方法循环遍历大量对象，将元素作为局部引用检索，并在每次迭代时对一个元素进行操作。在每次迭代之后，程序员不再需要对数组元素的局部引用。

JNI允许程序员在native方法中的任何点手动删除局部引用。为了确保程序员可以手动释放局部引用，不允许JNI函数创建额外的局部引用，除了它们作为结果返回的引用。
局部引用仅在创建它们的线程中有效。native代码不能将局部引用从一个线程传递到另一个线程。
实现局部引用
为了实现局部引用，Java VM为从Java到native方法的每次控制转换创建了一个注册表。注册表将不可移动的局部引用映射到Java对象，并防止对象被垃圾回收。传递给native方法的所有Java对象（包括那些作为JNI函数调用结果返回的对象）都会自动添加到注册表中。在native方法返回后删除注册表，允许其所有条目被垃圾回收。
有不同的方法来实现注册表，例如使用表，链表或哈希表。虽然引用计数可用于避免注册表中的重复条目，但JNI实现没有义务检测和折叠重复条目。
注意：通过遍历native堆栈无法实现局部引用。因为native代码可以将局部引用存储到全局或堆数据结构中。
六、访问Java对象JNI在全局和局部引用上提供了丰富的访问器函数。这意味着无论VM如何在内部表示Java对象，相同的native方法实现都会起作用。这是JNI可以被各种VM实现支持的关键原因。
通过不透明引用使用访问器函数的开销高于直接访问C数据结构的开销。我们相信，在大多数情况下，Java程序员使用native方法来执行非常重要的任务，这些任务会掩盖此接口的开销。
访问原始数组
对于包含许多基本数据类型的大型Java对象（例如整数数组和字符串），此开销是不可接受的。迭代Java数组并使用函数调用检索每个元素是非常低效的。
为解决此问题我们引入了“固定”的概念，以便native方法可以要求VM确定数组的内容。然后，native方法接收指向元素的直接指针。然而，这种方法有两个含义：

垃圾收集器必须支持固定。

VM必须在内存中连续布局原始数组。

为了克服上述两个问题，我们采取以下方案：
首先，我们提供了一组函数来复制Java数组的一段和本机内存缓冲区之间的原始数组元素。如果native方法只需要访问大型数组中的少量元素，请使用这些函数。
其次，程序员可以使用另一组函数来检索数组元素的固定版本。请记住，这些功能可能需要Java VM执行存储分配和复制。这些函数实际上是否复制数组取决于VM实现，如下所示：

如果垃圾收集器支持固定，并且数组的布局与native方法的预期相同，则不需要复制。

否则，将数组复制到不可移动的内存块（例如，在C堆中）并执行必要的格式转换。返回指向副本的指针。

最后，该接口提供了通知VM native代码不再需要访问数组元素的功能。当您调用这些函数时，系统会取消数组，或者将原始数组与其不可移动的副本进行协调并释放副本。
我们的方法提供灵活性垃圾收集器算法可以针对每个给定阵列单独决定复制或固定。例如，垃圾收集器可以复制小对象，但可以固定较大的对象。
JNI实现必须确保在多个线程中运行的native方法可以同时访问同一个数组。例如，JNI可以为每个固定数组保留一个内部计数器，这样一个线程就不会取消固定另一个线程固定的数组。请注意，JNI不需要锁定原始数组以供native方法独占访问。同时从不同的线程更新Java数组会导致不确定的结果。
访问字段和方法
JNI允许native代码访问字段并调用Java对象的方法。JNI通过符号名称和类型签名来标识方法和字段。两步过程会从字段名称和签名中分析出定位字段或方法的成本。例如，要f在类cls中调用该方法，native代码首先获取方法ID，如下所示：

jmethodID mid = env-> GetMethodID（cls，“f”，“（ILjava / lang / String; ）D”）;

然后，native代码可以重复使用方法ID，而无需查找方法，如下所示：

jdouble result = env-> CallDoubleMethod（obj，mid，10，str）;

字段或方法ID不会阻止VM卸载已从中派生ID的类。卸载类后，方法或字段ID将变为无效。因此，native代码必须确保：

保持对基础类的实时引用

重新计算方法或字段ID

如果它打算长时间使用方法或字段ID。
JNI不对内部如何实现字段和方法ID施加任何限制。
七、报告编程错误JNI不检查编程错误，例如传入NULL指针或非法参数类型。非法参数类型包括使用普通Java对象而不是Java类对象。由于以下原因，JNI不检查这些编程错误：

强制JNI函数检查所有可能的错误条件会降低正常（正确）native方法的性能。

在许多情况下，没有足够的运行时类型信息来执行此类检查。

大多数C库函数都不能防止编程错误。printf()例如，该函数在收到无效地址时通常会导致运行时错误，而不是返回错误代码。强制C库函数检查所有可能的错误条件可能会导致重复此类检查 - 一次在用户代码中，然后再次在库中。
程序员不得将非法指针或错误类型的参数传递给JNI函数。这样做可能会导致任意后果，包括系统状态损坏或VM崩溃。
Java异常
JNI允许native方法引发任意Java异常。native代码也可以处理未完成的Java异常。未处理的Java异常会传播回VM。
例外和错误代码
某些JNI函数使用Java异常机制来报告错误情况。在大多数情况下，JNI函数通过返回错误代码并抛出Java异常来报告错误情况。错误代码通常是一个特殊的返回值（如NULL），它超出了正常返回值的范围。因此，程序员可以：

快速检查上次JNI调用的返回值，以确定是否发生了错误，并且

调用函数，ExceptionOccurred()以获取包含错误条件的更详细描述的异常对象。

在两种情况下，程序员需要检查异常而无法首先检查错误代码：

调用Java方法的JNI函数返回Java方法的结果。程序员必须调用ExceptionOccurred()以检查在执行Java方法期间可能发生的异常。

某些JNI数组访问函数不返回错误代码，但可能会抛出一个ArrayIndexOutOfBoundsException或ArrayStoreException。

在所有其他情况下，非错误返回值可确保不会抛出任何异常。
异步异常
在多线程的情况下，除当前线程之外的线程可能发布异步异常。异步异常不会立即影响当前线程中native代码的执行，直到：

native代码调用可能引发同步异常的JNI函数之一，或

native代码用于ExceptionOccurred()显式检查同步和异步异常。

请注意，只有那些可能引发同步异常的JNI函数才会检查异步异常。
native方法应ExceptionOccurred()在必要的位置插入检查（例如在没有其他异常检查的紧密循环中），以确保当前线程在合理的时间内响应异步异常。
异常处理
有两种方法可以处理native代码中的异常：

native方法可以选择立即返回，从而导致在启动native方法调用的Java代码中抛出异常。

native代码可以通过调用清除异常ExceptionClear()，然后执行自己的异常处理代码。

引发异常后，native代码必须首先清除异常，然后再进行其他JNI调用。当存在挂起的异常时，可以安全调用的JNI函数是：

ExceptionOccurred() ExceptionDescribe() ExceptionClear() ExceptionCheck() ReleaseStringChars() ReleaseStringUTFChars() ReleaseStringCritical() Release< Type> ArrayElements() ReleasePrimitiveArrayCritical() DeleteLocalRef() DeleteGlobalRef() DeleteWeakGlobalRef() MonitorExit() PushLocalFrame() PopLocalFrame()

八、总结本文是译文，原文地址为：https://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/jni/spec/design.html。
同时也是本人整理的JNI教程的第二篇，可能部分内容语法有点不通顺，但是看完了也能基本了解JNI的设计思路。
【Android JNI 学习（JNI 设计概述）】后面一篇文章，后续我们会介绍一下JNI的数据类型和数据结构。