[深入理解Android卷一 全文-第二章]深入理解JNI

由于《深入理解Android 卷一》和《深入理解Android卷二》不再出版，而知识的传播不应该因为纸质媒介的问题而中断，所以我将在OSC博客中全文转发这两本书的全部内容。

第2章 深入理解JNI

本章主要内容
· 通过一个实例，介绍JNI技术和在使用中应注意的问题。
本章涉及的源代码文件名及位置
下面是本章分析的源码文件名及其位置。
· MediaScanner.java
framework/base/media/java/src/android/media/MediaScanner.java
· android_media_MediaScanner.cpp
framework/base/media/jni/MediaScanner.cpp
· android_media_MediaPlayer.cpp
framework/base/media/jni/android_media_MediaPlayer.cpp
· AndroidRunTime.cpp
framework/base/core/jni/AndroidRunTime.cpp
· JNIHelp.c
dalvik/libnativehelper/JNIHelp.c

2.1 概述

JNI，是Java Native Interface的缩写，中文为Java本地调用。通俗地说，JNI是一种技术，通过这种技术可以做到以下两点：
· Java程序中的函数可以调用Native语言写的函数，Native一般指的是C/C++编写的函数。
· Native程序中的函数可以调用Java层的函数，也就是在C/C++程序中可以调用Java的函数。
在平台无关的Java中，为什么要创建一个和Native相关的JNI技术呢？这岂不是破坏了Java的平台无关特性吗？本人觉得，JNI技术的推出可能是出于以下几个方面的考虑：
· 承载Java世界的虚拟机是用Native语言写的，而虚拟机又运行在具体平台上，所以虚拟机本身无法做到平台无关。然而，有了JNI技术，就可以对Java层屏蔽具体的虚拟机实现上的差异了。这样，就能实现Java本身的平台无关特性。其实Java一直在使用JNI技术，只是我们平时较少用到罢了。
· 早在Java语言诞生前，很多程序都是用Native语言写的，它们遍布在软件世界的各个角落。Java出世后，它受到了追捧，并迅速得到发展，但仍无法对软件世界彻底改朝换代，于是才有了折中的办法。既然已经有Native模块实现了相关功能，那么在Java中通过JNI技术直接使用它们就行了，免得落下重复制造轮子的坏名声。另外，在一些要求效率和速度的场合还是需要Native语言参与的。
在Android平台上，JNI就是一座将Native世界和Java世界间的天堑变成通途的桥，来看图2-1，它展示了Android平台上JNI所处的位置：



图2-1 Android平台中JNI示意图
由上图可知，JNI将Java世界和Native世界紧密地联系在一起了。在Android平台上尽情使用Java开发的程序员们不要忘了，如果没有JNI的支持，我们将寸步难行！

注意，虽然JNI层的代码是用Native语言写的，但本书还是把和JNI相关的模块单独归类到JNI层。


俗话说，百闻不如一见，就来见识一下JNI技术吧。

2.2 通过实例学习JNI
初次接触JNI，感觉最神奇的就是，Java竟然能够调用Native的函数，可它是怎么做到的呢？网上有很多介绍JNI的资料。由于Android大量使用了JNI技术，本节就将通过源码中的一处实例，来学习相关的知识，并了解它是如何调用Native的函数的。
这个例子，是和MediaScanner相关的。在本书的最后一章，会详细分析它的工作原理，这里先看和JNI相关的部分，如图2-2所示：



图2-2 MediaScanner和它的JNI
将图2-2与图2-1结合来看，可以知道：
· Java世界对应的是MediaScanner，而这个MediaScanner类有一些函数是需要由Native层实现的。
· 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。下划线后的”jni“表示它是一个JNI库。注意，JNI库的名字可以随便取，不过Android平台基本上都采用“lib模块名_jni.so”的命名方式。
· Native层对应的是libmedia.so，这个库完成了实际的功能。
· MediaScanner将通过JNI库libmedia_jni.so和Native的libmedia.so交互。
从上面的分析中还可知道：
· JNI层必须实现为动态库的形式，这样Java虚拟机才能加载它并调用它的函数。
下面来看MediaScanner。

MediaScanner是Android平台中多媒体系统的重要组成部分，它的功能是扫描媒体文件，得到诸如歌曲时长、歌曲作者等媒体信息，并将它们存入到媒体数据库中，供其他应用程序使用。

2.2.1 Java层的MediaScanner分析

来看MediaScanner（简称MS）的源码，这里将提取出和JNI有关的部分，其代码如下所示：
[-->MediaScanner.java]

public class MediaScanner

{

static{ static语句

/*

①加载对应的JNI库，media_jni是JNI库的名字。实际加载动态库的时候会拓展成

libmedia_jni.so，在Windows平台上将拓展为media_jni.dll。

*/

System.loadLibrary("media_jni");

native_init();//调用native_init函数

}

.......

//非native函数

publicvoid scanDirectories(String[] directories, String volumeName){

......

}



//②声明一个native函数。native为Java的关键字，表示它将由JNI层完成。

privatestatic native final void native_init();

......

privatenative void processFile(String path, String mimeType,

MediaScannerClient client);

......

}


· 上面代码中列出了两个比较重要的要点：

1. 加载JNI库

前面说过，如Java要调用Native函数，就必须通过一个位于JNI层的动态库才能做到。顾名思义，动态库就是运行时加载的库，那么是什么时候，在什么地方加载这个库呢？
这个问题没有标准答案，原则上是在调用native函数前，任何时候、任何地方加载都可以。通行的做法是，在类的static语句中加载，通过调用System.loadLibrary方法就可以了。这一点，在上面的代码中也见到了，我们以后就按这种方法编写代码即可。另外，System.loadLibrary函数的参数是动态库的名字，即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，例如在Linux系统上会拓展成libmedia_jni.so，而在Windows平台上则会拓展成media_jni.dll。
解决了JNI库加载的问题，再来来看第二个关键点。

2. Java的native函数和总结

从上面代码中可以发现，native_init和processFile函数前都有Java的关键字native，它表示这两个函数将由JNI层来实现。
Java层的分析到此结束。JNI技术也很照顾Java程序员，只要完成下面两项工作就可以使用JNI了，它们是：
· 加载对应的JNI库。
· 声明由关键字native修饰的函数。
所以对于Java程序员来说，使用JNI技术真的是太容易了。不过JNI层可没这么轻松，下面来看MS的JNI层分析。

2.2.2 JNI层的MediaScanner分析

MS的JNI层代码在android_media_MediaScanner.cpp中，如下所示：
[-->android_media_MediaScanner.cpp]

//①这个函数是native_init的JNI层实现。

static void android_media_MediaScanner_native_init(JNIEnv *env)

{

jclass clazz;



clazz= env->FindClass("android/media/MediaScanner");

......

fields.context = env->GetFieldID(clazz, "mNativeContext","I");

......

return;

}



//这个函数是processFile的JNI层实现。

static void android_media_MediaScanner_processFile(JNIEnv*env, jobject thiz,

jstring path, jstring mimeType, jobject client)

{

MediaScanner*mp = (MediaScanner *)env->GetIntField(thiz, fields.context);

......

constchar *pathStr = env->GetStringUTFChars(path, NULL);

......

if(mimeType) {

env->ReleaseStringUTFChars(mimeType, mimeTypeStr);

}

}


上面是MS的JNI层代码，不知道读者看了以后是否会产生些疑惑？
我想，最大的疑惑可能是，怎么会知道Java层的native_init函数对应的是JNI层的android_media_MediaScanner_native_init函数呢？下面就来回答这个问题。

1. 注册JNI函数

正如代码中注释的那样，native_init函数对应的JNI函数是android_media_MediaScanner_native_init，可是细心的读者可能要问了，你怎么知道native_init函数对应的是这个android_media_MediaScanner_native_init，而不是其他的呢？莫非是根据函数的名字？
大家知道，native_init函数位于android.media这个包中，它的全路径名应该是android.media.MediaScanner.native_init，而JNI层函数的名字是android_media_MediaScanner_native_init。因为在Native语言中，符号“.”有着特殊的意义，所以JNI层需要把“.”换成“_”。也就是通过这种方式，native_init找到了自己JNI层的本家兄弟android.media.MediaScanner.native_init。
上面的问题其实讨论的是JNI函数的注册问题，“注册”之意就是将Java层的native函数和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层对应的函数执行了。而JNI函数的注册实际上有两种方法，下面分别做介绍。

（1）静态方法
我们从网上找到的与JNI有的关资料，一般都会介绍如何使用这种方法完成JNI函数的注册，这种方法就是根据函数名来找对应的JNI函数。这种方法需要Java的工具程序javah参与，整体流程如下：
· 先编写Java代码，然后编译生成.class文件。
· 使用Java的工具程序javah，如javah–o output packagename.classname ，这样它会生成一个叫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即可。
这个头文件的名字一般都会使用packagename_class.h的样式，例如MediaScanner对应的JNI层头文件就是android_media_MediaScanner.h。下面，来看这种方式生成的头文件：
[-->android_media_MediaScanner.h::样例文件]

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machinegenerated */

#include <jni.h> //必须包含这个头文件，否则编译通不过

/* Header for class android_media_MediaScanner*/



#ifndef _Included_android_media_MediaScanner

#define _Included_android_media_MediaScanner

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

...... 略去一部分注释内容

//processFile的JNI函数

JNIEXPORT void JNICALLJava_android_media_MediaScanner_processFile

(JNIEnv *, jobject, jstring,jstring, jobject);



......//略去一部分注释内容

//native_init对应的JNI函数

JNIEXPORT void JNICALLJava_android_media_MediaScanner_native_1init

(JNIEnv*, jclass);



#ifdef __cplusplus

}

#endif

#endif


从上面代码中可以发现，native_init和processFile的JNI层函数被声明成：

//Java层函数名中如果有一个”_”的话，转换成JNI后就变成了”_l”。

JNIEXPORT void JNICALLJava_android_media_MediaScanner_native_1init

JNIEXPORT void JNICALLJava_android_media_MediaScanner_processFile


需解释一下，静态方法中native函数是如何找到对应的JNI函数的。其实，过程非常简单：
· 当Java层调用native_init函数时，它会从对应的JNI库Java_android_media_MediaScanner_native_linit，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层函数的函数指针。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。
从这里可以看出，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的，它要求JNI层函数的名字必须遵循特定的格式。这种方法也有几个弊端，它们是：
· 需要编译所有声明了native函数的Java类，每个生成的class文件都得用javah生成一个头文件。
· javah生成的JNI层函数名特别长，书写起来很不方便。
· 初次调用native函数时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。
有什么办法可以克服上面三种弊端吗？根据上面的介绍，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层对应函数的函数指针，不就万事大吉了吗？这就是下面要介绍的第二种方法：动态注册法。

（2）动态注册
既然Java native函数数和JNI函数是一一对应的，那么是不是会有一个结构来保存这种关联关系呢？答案是肯定的。在JNI技术中，用来记录这种一一对应关系的，是一个叫JNINativeMethod的结构，其定义如下：

typedef struct {

//Java中native函数的名字，不用携带包的路径。例如“native_init“。

constchar* name;

//Java函数的签名信息，用字符串表示，是参数类型和返回值类型的组合。

const char* signature;

void* fnPtr; //JNI层对应函数的函数指针，注意它是void*类型。

} JNINativeMethod;


应该如何使用这个结构体呢？来看MediaScanner JNI层是如何做的，代码如下所示：
[-->android_media_MediaScanner.cpp]

//定义一个JNINativeMethod数组，其成员就是MS中所有native函数的一一对应关系。

static JNINativeMethod gMethods[] = {

......

{

"processFile" //Java中native函数的函数名。

//processFile的签名信息，签名信息的知识，后面再做介绍。

"(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)V",

(void*)android_media_MediaScanner_processFile //JNI层对应函数指针。

},

......



{

"native_init",

"()V",

(void *)android_media_MediaScanner_native_init

},

......

};

//注册JNINativeMethod数组

int register_android_media_MediaScanner(JNIEnv*env)

{

//调用AndroidRuntime的registerNativeMethods函数，第二个参数表明是Java中的哪个类

returnAndroidRuntime::registerNativeMethods(env,

"android/media/MediaScanner", gMethods, NELEM(gMethods));

}


AndroidRunTime类提供了一个registerNativeMethods函数来完成注册工作，下面看registerNativeMethods的实现，代码如下：
[-->AndroidRunTime.cpp]

int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv*env,

constchar* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)

{

//调用jniRegisterNativeMethods函数完成注册

returnjniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);

}


其中jniRegisterNativeMethods是Android平台中，为了方便JNI使用而提供的一个帮助函数，其代码如下所示：
[-->JNIHelp.c]

int jniRegisterNativeMethods(JNIEnv* env, constchar* className,

constJNINativeMethod* gMethods, int numMethods)

{

jclassclazz;

clazz= (*env)->FindClass(env, className);

......

//实际上是调用JNIEnv的RegisterNatives函数完成注册的

if((*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods, numMethods) < 0) {

return -1;

}

return0;

}


wow，好像很麻烦啊！其实动态注册的工作，只用两个函数就能完成。总结如下：

/*

env指向一个JNIEnv结构体，它非常重要，后面会讨论它。classname为对应的Java类名，由于

JNINativeMethod中使用的函数名并非全路径名，所以要指明是哪个类。

*/

jclass clazz = (*env)->FindClass(env, className);

//调用JNIEnv的RegisterNatives函数，注册关联关系。

(*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods,numMethods);


所以，在自己的JNI层代码中使用这种方法，就可以完成动态注册了。这里还有一个很棘手的问题：这些动态注册的函数在什么时候、什么地方被谁调用呢？好了，不卖关子了，直接给出该问题的答案：
· 当Java层通过System.loadLibrary加载完JNI动态库后，紧接着会查找该库中一个叫JNI_OnLoad的函数，如果有，就调用它，而动态注册的工作就是在这里完成的。
所以，如果想使用动态注册方法，就必须要实现JNI_OnLoad函数，只有在这个函数中，才有机会完成动态注册的工作。静态注册则没有这个要求，可我建议读者也实现这个JNI_OnLoad函数，因为有一些初始化工作是可以在这里做的。
那么，libmedia_jni.so的JNI_OnLoad函数是在哪里实现的呢？由于多媒体系统很多地方都使用了JNI，所以码农把它放到android_media_MediaPlayer.cpp中了，代码如下所示：
[-->android_media_MediaPlayer.cpp]

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)

{

//该函数的第一个参数类型为JavaVM,这可是虚拟机在JNI层的代表喔，每个Java进程只有一个

//这样的JavaVM

JNIEnv* env = NULL;

jintresult = -1;



if(vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {

gotobail;

}

...... //动态注册MediaScanner的JNI函数。

if(register_android_media_MediaScanner(env) < 0) {

goto bail;

}

......

returnJNI_VERSION_1_4;//必须返回这个值，否则会报错。

}


JNI函数注册的内容介绍完了。下面来关注JNI技术中其他的几个重要部分。

JNI层代码中一般要包含jni.h这个头文件。Android源码中提供了一个帮助头文件JNIHelp.h，它内部其实就包含了jni.h，所以我们在自己的代码中直接包含这个JNIHelp.h即可。

2. 数据类型转换

通过前面的分析，解决了JNI函数的注册问题。下面来研究数据类型转换的问题。
在Java中调用native函数传递的参数是Java数据类型，那么这些参数类型到了JNI层会变成什么呢？
Java数据类型分为基本数据类型和引用数据类型两种，JNI层也是区别对待这二者的。先来看基本数据类型的转换。

（1）基本类型的转换
基本类型的转换很简单，可用表2-1表示：
表2-1 基本数据类型转换关系表

Java	Native类型	符号属性	字长
boolean	jboolean	无符号	8位
byte	jbyte	无符号	8位
char	jchar	无符号	16位
short	jshort	有符号	16位
int	jint	有符号	32位
long	jlong	有符号	64位
float	jfloat	有符号	32位
double	jdouble	有符号	64位

上面列出了Java基本数据类型和JNI层数据类型对应的转换关系，非常简单。不过，应务必注意，转换成Native类型后对应数据类型的字长，例如jchar在Native语言中是16位，占两个字节，这和普通的char占一个字节的情况完全不一样。
接下来看Java引用数据类型的转换。

（2）引用数据类型的转换
引用数据类型的转换如表2-2所示：
表2-2 Java引用数据类型转换关系表

Java引用类型	Native类型	Java引用类型	Native类型
All objects	jobject	char[]	jcharArray
java.lang.Class实例	jclass	short[]	jshortArray
java.lang.String实例	jstring	int[]	jintArray
Object[]	jobjectArray	long[]	jlongArray
boolean[]	jbooleanArray	float[]	floatArray
byte[]	jbyteArray	double[]	jdoubleArray
java.lang.Throwable实例	jthrowable

由上表可知：
· 除了Java中基本数据类型的数组、Class、String和Throwable外，其余所有Java对象的数据类型在JNI中都用jobject表示。
这一点太让人惊讶了！看processFile这个函数：

//Java层processFile有三个参数。

processFile(String path, StringmimeType,MediaScannerClient client);

//JNI层对应的函数，最后三个参数和processFile的参数对应。

android_media_MediaScanner_processFile(JNIEnv*env, jobject thiz,

jstring path, jstring mimeType, jobject client)


从上面这段代码中可以发现：
· Java的String类型在JNI层对应为jstring。
· Java的MediaScannerClient类型在JNI层对应为jobject。
如果对象类型都用jobject表示，就好比是Native层的void*类型一样，对码农来说，是完全透明的。既然是透明的，那该如何使用和操作它们呢？在回答这个问题之前，再来仔细看看上面那个android_media_MediaScanner_processFile函数，代码如下：

/*

Java中的processFile只有三个参数，为什么JNI层对应的函数会有五个参数呢？第一个参数中的JNIEnv是什么？稍后介绍。第二个参数jobject代表Java层的MediaScanner对象，它表示

是在哪个MediaScanner对象上调用的processFile。如果Java层是static函数的话，那么

这个参数将是jclass，表示是在调用哪个Java Class的静态函数。

*/

android_media_MediaScanner_processFile(JNIEnv*env,

jobject thiz,

jstring path, jstring mimeType, jobject client)


上面的代码，引出了下面几节的主角JNIEnv。

3. JNIEnv介绍

JNIEnv是一个和线程相关的，代表JNI环境的结构体，图2-3展示了JNIEnv的内部结构：



图2-3 JNIEnv内部结构简图
从上图可知，JNIEnv实际上就是提供了一些JNI系统函数。通过这些函数可以做到：
· 调用Java的函数。
· 操作jobject对象等很多事情。
后面小节中将具体介绍怎么使用JNIEnv中的函数。这里，先介绍一个关于JNIEnv的重要知识点。
上面提到说JNIEnv，是一个和线程有关的变量。也就是说，线程A有一个JNIEnv，线程B有一个JNIEnv。由于线程相关，所以不能在线程B中使用线程A的JNIEnv结构体。读者可能会问，JNIEnv不都是native函数转换成JNI层函数后由虚拟机传进来的吗？使用传进来的这个JNIEnv总不会错吧？是的，在这种情况下使用当然不会出错。不过当后台线程收到一个网络消息，而又需要由Native层函数主动回调Java层函数时，JNIEnv是从何而来呢？根据前面的介绍可知，我们不能保存另外一个线程的JNIEnv结构体，然后把它放到后台线程中来用。这该如何是好？
还记得前面介绍的那个JNI_OnLoad函数吗？它的第一个参数是JavaVM，它是虚拟机在JNI层的代表，代码如下所示：

//全进程只有一个JavaVM对象，所以可以保存，任何地方使用都没有问题。

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)


正如上面代码所说，不论进程中有多少个线程，JavaVM却是独此一份，所以在任何地方都可以使用它。那么，JavaVM和JNIEnv又有什么关系呢？答案如下：
· 调用JavaVM的AttachCurrentThread函数，就可得到这个线程的JNIEnv结构体。这样就可以在后台线程中回调Java函数了。
· 另外，后台线程退出前，需要调用JavaVM的DetachCurrentThread函数来释放对应的资源。
再来看JNIEnv的作用。

4. 通过JNIEnv操作jobject

前面提到过一个问题，即Java的引用类型除了少数几个外，最终在JNI层都用jobject来表示对象的数据类型，那么该如何操作这个jobject呢？
从另外一个角度来解释这个问题。一个Java对象是由什么组成的？当然是它的成员变量和成员函数了。那么，操作jobject的本质就应当是操作这些对象的成员变量和成员函数。所以应先来看与成员变量及成员函数有关的内容。

（1）jfieldID 和jmethodID的介绍
我们知道，成员变量和成员函数是由类定义的，它是类的属性，所以在JNI规则中，用jfieldID 和jmethodID 来表示Java类的成员变量和成员函数，它们通过JNIEnv的下面两个函数可以得到：

jfieldID GetFieldID(jclass clazz,const char*name, const char *sig);

jmethodID GetMethodID(jclass clazz, const char*name,const char *sig);


其中，jclass代表Java类，name表示成员函数或成员变量的名字，sig为这个函数和变量的签名信息。如前所示，成员函数和成员变量都是类的信息，这两个函数的第一个参数都是jclass。
MS中是怎么使用它们的呢？来看代码，如下所示：
[-->android_media_MediaScanner.cpp::MyMediaScannerClient构造函数]

MyMediaScannerClient(JNIEnv *env, jobjectclient)......

{

//先找到android.media.MediaScannerClient类在JNI层中对应的jclass实例。

jclass mediaScannerClientInterface =

env->FindClass("android/media/MediaScannerClient");

//取出MediaScannerClient类中函数scanFile的jMethodID。

mScanFileMethodID = env->GetMethodID(

mediaScannerClientInterface, "scanFile",

"(Ljava/lang/String;JJ)V");

//取出MediaScannerClient类中函数handleStringTag的jMethodID。

mHandleStringTagMethodID = env->GetMethodID(

mediaScannerClientInterface,"handleStringTag",

"(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V");

......

}


在上面代码中，将scanFile和handleStringTag函数的jmethodID保存为MyMediaScannerClient的成员变量。为什么这里要把它们保存起来呢？这个问题涉及一个事关程序运行效率的知识点：
· 如果每次操作jobject前都去查询jmethoID或jfieldID的话将会影响程序运行的效率。所以我们在初始化的时候，就可以取出这些ID并保存起来以供后续使用。
取出jmethodID后，又该怎么用它呢？

（2）使用jfieldID和jmethodID
下面再看一个例子，其代码如下所示：
[-->android_media_MediaScanner.cpp::MyMediaScannerClient的scanFile]

virtualbool scanFile(const char* path, long long lastModified,

long long fileSize)

{

jstring pathStr;

if((pathStr = mEnv->NewStringUTF(path)) == NULL) return false;



/*

调用JNIEnv的CallVoidMethod函数，注意CallVoidMethod的参数：

第一个是代表MediaScannerClient的jobject对象，

第二个参数是函数scanFile的jmethodID，后面是Java中scanFile的参数。

*/

mEnv->CallVoidMethod(mClient, mScanFileMethodID, pathStr,

lastModified, fileSize);



mEnv->DeleteLocalRef(pathStr);

return (!mEnv->ExceptionCheck());

}


明白了，通过JNIEnv输出的CallVoidMethod，再把jobject、jMethodID和对应参数传进去，JNI层就能够调用Java对象的函数了！
实际上JNIEnv输出了一系列类似CallVoidMethod的函数，形式如下：

NativeType Call<type>Method(JNIEnv *env,jobject obj,jmethodID methodID, ...)。


其中type是对应Java函数的返回值类型，例如CallIntMethod、CallVoidMethod等。
上面是针对非static函数的，如果想调用Java中的static函数，则用JNIEnv输出的CallStatic<Type>Method系列函数。
现在，我们已了解了如何通过JNIEnv操作jobject的成员函数，那么怎么通过jfieldID操作jobject的成员变量呢？这里，直接给出整体解决方案，如下所示：

//获得fieldID后，可调用Get<type>Field系列函数获取jobject对应成员变量的值。

NativeType Get<type>Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID)

//或者调用Set<type>Field系列函数来设置jobject对应成员变量的值。

void Set<type>Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID,NativeType value)

//下面我们列出一些参加的Get/Set函数。

GetObjectField() SetObjectField()

GetBooleanField() SetBooleanField()

GetByteField() SetByteField()

GetCharField() SetCharField()

GetShortField() SetShortField()

GetIntField() SetIntField()

GetLongField() SetLongField()

GetFloatField() SetFloatField()

GetDoubleField() SetDoubleField()


通过本节的介绍，相信读者已了解jfieldID和jmethodID的作用，也知道如何通过JNIEnv的函数来操作jobject了。虽然jobject是透明的，但有了JNIEnv的帮助，还是能轻松操作jobject背后的实际对象了。

5. jstring介绍

Java中的String也是引用类型，不过由于它的使用非常频繁，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。虽然jstring是一种独立的数据类型，但是它并没有提供成员函数供操作。相比而言，C++中的string类就有自己的成员函数了。那么该怎么操作jstring呢？还是得依靠JNIEnv提供的帮助。这里看几个有关jstring的函数：
· 调用JNIEnv的NewString(JNIEnv *env, const jchar*unicodeChars,jsize len)，可以从Native的字符串得到一个jstring对象。其实，可以把一个jstring对象看成是Java中String对象在JNI层的代表，也就是说，jstring就是一个Java String。但由于Java String存储的是Unicode字符串，所以NewString函数的参数也必须是Unicode字符串。
· 调用JNIEnv的NewStringUTF将根据Native的一个UTF-8字符串得到一个jstring对象。在实际工作中，这个函数用得最多。
· 上面两个函数将本地字符串转换成了Java的String对象，JNIEnv还提供了GetStringChars和GetStringUTFChars函数，它们可以将Java String对象转换成本地字符串。其中GetStringChars得到一个Unicode字符串，而GetStringUTFChars得到一个UTF-8字符串。
· 另外，如果在代码中调用了上面几个函数，在做完相关工作后，就都需要调用ReleaseStringChars或ReleaseStringUTFChars函数对应地释放资源，否则会导致JVM内存泄露。这一点和jstring的内部实现有关系，读者写代码时务必注意这个问题。
为了加深印象，来看processFile是怎么做的：
[-->android_media_MediaScanner.cpp]

static void

android_media_MediaScanner_processFile(JNIEnv*env, jobject thiz, jstring path, jstring mimeType, jobject client)

{

MediaScanner *mp = (MediaScanner *)env->GetIntField(thiz,fields.context);

......

//调用JNIEnv的GetStringUTFChars得到本地字符串pathStr

constchar *pathStr = env->GetStringUTFChars(path, NULL);

......

//使用完后，必须调用ReleaseStringUTFChars释放资源

env->ReleaseStringUTFChars(path, pathStr);

......

}

6. JNI类型签名的介绍

先来看动态注册中的一段代码：

tatic JNINativeMethod gMethods[] = {

......

{

"processFile"

//processFile的签名信息，这么长的字符串，是什么意思？

"(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)V",

(void*)android_media_MediaScanner_processFile

},

......

}


上面代码中的JNINativeMethod已经见过了，不过其中那个很长的字符串"(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)V"是什么意思呢？
根据前面的介绍可知，它是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。不过为什么需要这个签名信息呢？
· 这个问题的答案比较简单。因为Java支持函数重载，也就是说，可以定义同名但不同参数的函数。但仅仅根据函数名，是没法找到具体函数的。为了解决这个问题，JNI技术中就使用了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中的函数了。
JNI规范定义的函数签名信息看起来很别扭，不过习惯就好了。它的格式是：
(参数1类型标示参数2类型标示...参数n类型标示)返回值类型标示。
来看processFile的例子：

Java中函数定义为void processFile(String path, String mimeType)

对应的JNI函数签名就是

(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Landroid/media/MediaScannerClient;)V

其中，括号内是参数类型的标示，最右边是返回值类型的标示，void类型对应的标示是V。

当参数的类型是引用类型时，其格式是”L包名;”，其中包名中的”.”换成”/”。上面例子中的

Ljava/lang/String;表示是一个Java String类型。


函数签名不仅看起来麻烦，写起来更麻烦，稍微写错一个标点就会导致注册失败。所以，在具体编码时，读者可以定义字符串宏，这样改起来也方便。
表2-3是常见的类型标示：
表2-3 类型标示示意表

类型标示	Java类型	类型标示	Java类型
Z	boolean	F	float
B	byte	D	double
C	char	L/java/langaugeString;	String
S	short	[I	int[]
I	int	[L/java/lang/object;	Object[]
J	long

上面列出了一些常用的类型标示。请读者注意，如果Java类型是数组，则标示中会有一个“[”，另外，引用类型（除基本类型的数组外）的标示最后都有一个“;”。
再来看一个小例子，如表2-4所示：
表2-4 函数签名小例子

函数签名	Java函数
“()Ljava/lang/String;”	String f()
“(ILjava/lang/Class;)J”	long f(int i, Class c)
“([B)V”	void f(byte[] bytes)

请读者结合表2-3和表2-4左栏的内容写出对应的Java函数。
虽然函数签名信息很容易写错，但Java提供一个叫javap的工具能帮助生成函数或变量的签名信息，它的用法如下：
javap –s -p xxx。其中xxx为编译后的class文件，s表示输出内部数据类型的签名信息，p表示打印所有函数和成员的签名信息，而默认只会打印public成员和函数的签名信息。
有了javap，就不用死记硬背上面的类型标示了。

7. 垃圾回收

我们知道，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，可它对JNI有什么影响呢？下面看一个例子：
[-->垃圾回收例子]

static jobject save_thiz = NULL; //定义一个全局的jobject

static void

android_media_MediaScanner_processFile(JNIEnv*env, jobject thiz, jstring path,

jstringmimeType, jobject client)

{

......

//保存Java层传入的jobject对象，代表MediaScanner对象

save_thiz = thiz;

......

return;

}

//假设在某个时间，有地方调用callMediaScanner函数

void callMediaScanner()

{

//在这个函数中操作save_thiz，会有问题吗？

}


上面的做法肯定会有问题，因为和save_thiz对应的Java层中的MediaScanner很有可能已经被垃圾回收了，也就是说，save_thiz保存的这个jobject可能是一个野指针，如使用它，后果会很严重。
可能有人要问，将一个引用类型进行赋值操作，它的引用计数不会增加吗？而垃圾回收机制只会保证那些没有被引用的对象才会被清理。问得对，但如果在JNI层使用下面这样的语句，是不会增加引用计数的。

save_thiz = thiz; //这种赋值不会增加jobject的引用计数。


那该怎么办？不必担心，JNI规范已很好地解决了这一问题，JNI技术一共提供了三种类型的引用，它们分别是：
· Local Reference：本地引用。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、在JNI层函数中创建的jobject。LocalReference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。
· Global Reference：全局引用，这种对象如不主动释放，就永远不会被垃圾回收。
· Weak Global Reference：弱全局引用，一种特殊的GlobalReference，在运行过程中可能会被垃圾回收。所以在程序中使用它之前，需要调用JNIEnv的IsSameObject判断它是不是被回收了。
平时用得最多的是Local Reference和Global Reference，下面看一个实例，代码如下所示：
[-->android_media_MediaScanner.cpp::MyMediaScannerClient构造函数]

MyMediaScannerClient(JNIEnv *env, jobjectclient)

: mEnv(env),

//调用NewGlobalRef创建一个GlobalReference,这样mClient就不用担心被回收了。

mClient(env->NewGlobalRef(client)),

mScanFileMethodID(0),

mHandleStringTagMethodID(0),

mSetMimeTypeMethodID(0)

{

......

}

//析构函数

virtual ~MyMediaScannerClient()

{

mEnv->DeleteGlobalRef(mClient);//调用DeleteGlobalRef释放这个全局引用。

}


每当JNI层想要保存Java层中的某个对象时，就可以使用Global Reference，使用完后记住释放它就可以了。这一点很容易理解。下面要讲有关LocalReference的一个问题，还是先看实例，代码如下所示：
[-->android_media_MediaScanner.cpp::MyMediaScannerClient的scanFile]

virtualbool scanFile(const char* path, long long lastModified,

long long fileSize)

{

jstringpathStr;

//调用NewStringUTF创建一个jstring对象，它是Local Reference类型。

if((pathStr = mEnv->NewStringUTF(path)) == NULL) return false;

//调用Java的scanFile函数，把这个jstring传进去

mEnv->CallVoidMethod(mClient, mScanFileMethodID, pathStr,

lastModified, fileSize);

/*

根据LocalReference的说明，这个函数返回后，pathStr对象就会被回收。所以

下面这个DeleteLocalRef调用看起来是多余的，其实不然，这里解释一下原因：

1）如果不调用DeleteLocalRef，pathStr将在函数返回后被回收。

2）如果调用DeleteLocalRef的话，pathStr会立即被回收。这两者看起来没什么区别，

不过代码要是像下面这样的话，虚拟机的内存就会被很快被耗尽：

for(inti = 0; i < 100; i++)

{

jstring pathStr = mEnv->NewStringUTF(path);

......//做一些操作

//mEnv->DeleteLocalRef(pathStr); //不立即释放Local Reference

}

如果在上面代码的循环中不调用DeleteLocalRef的话，则会创建100个jstring，

那么内存的耗费就非常可观了！

*/

mEnv->DeleteLocalRef(pathStr);

return(!mEnv->ExceptionCheck());

}


所以，没有及时回收的Local Reference或许是进程占用过多的一个原因，请务必注意这一点。

8. JNI中的异常处理

JNI中也有异常，不过它和C++、Java的异常不太一样。当调用JNIEnv的某些函数出错后，会产生一个异常，但这个异常不会中断本地函数的执行，直到从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（例如释放全局引用，或者ReleaseStringChars）。如果这时调用除上面所说函数之外的其他JNIEnv函数，则会导致程序死掉。
来看一个和异常处理有关的例子，代码如下所示：
[-->android_media_MediaScanner.cpp::MyMediaScannerClient的scanFile函数]

virtualbool scanFile(const char* path, long long lastModified,

long long fileSize)

{

jstring pathStr;

//NewStringUTF调用失败后，直接返回，不能再干别的事情了。

if((pathStr = mEnv->NewStringUTF(path)) == NULL) return false;

......

}


JNI层函数可以在代码中截获和修改这些异常，JNIEnv提供了三个函数进行帮助：
· ExceptionOccured函数，用来判断是否发生异常。
· ExceptionClear函数，用来清理当前JNI层中发生的异常。
· ThrowNew函数，用来向Java层抛出异常。
异常处理是JNI层代码必须关注的事情，读者在编写代码时务小心对待。

2.3 本章小结

本章通过一个实例介绍了JNI技术中的几个重要方面，包括：
· JNI函数注册的方法。
· Java和JNI层数据类型的转换。
· JNIEnv和jstring的使用方法，以及JNI中的类型签名。
· 最后介绍了垃圾回收在JNI层中的使用，以及异常处理方面的知识。
相信掌握了上面的知识后，我们会对JNI技术有一个比较清晰的认识。这里，还要建议读者再认真阅读一下JDK文档中的《Java Native Interface Specification》，它完整和细致地阐述了JNI技术的各个方面，堪称深入学习JNI的权威指南。