JNI原理

老马的编程之旅

发布于 2022-06-22 15:59:12

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发布于 2022-06-22 15:59:12

综述一下JNI的原理

1.通过System.loadLibrary()或System.load()加载动态库

System.load("/data/local/tmp/libgityuan_jni.so");
System.loadLibrary("gityuan_jni");

以上两个方法都用于加载动态库，两者的区别如下：加载的路径不同：System.load(String filename)是指定动态库的完整路径名；而System.loadLibrary(String libname)则只会从指定lib目录下查找，并加上lib前缀和.so后缀；自动加载库的依赖库的不同：System.load(String filename)不会自动加载依赖库；而System.loadLibrary(String libname)会自动加载依赖库。

loadLibrary()会将将xxx动态库的名字转换为libxxx.so，再从/data/app/[packagename]-1/lib/arm64，/vendor/lib64，/system/lib64等路径中查询对应的动态库

2.System.loadLibrary()或System.load()都会调用BaseDexClassLoader的findLibrary，走到DexPathList的findLibrary，我们在构造classloader时候都会传一个app的library路径，这个就是app的so目录

[-> BaseDexClassLoader.java]

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
    private final DexPathList pathList;

    public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory, String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        //dexPath一般是指apk所在路径
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
    }

    public String findLibrary(String name) {
        return pathList.findLibrary(name); 
    }
}

[-> DexPathList.java]

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath, String libraryPath, File optimizedDirectory) {
    ...
    this.definingContext = definingContext;

    ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
    //记录所有的dexFile文件
    this.dexElements = makePathElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory, suppressedExceptions);

    //app目录的native库
    this.nativeLibraryDirectories = splitPaths(libraryPath, false);
    //系统目录的native库
    this.systemNativeLibraryDirectories = splitPaths(System.getProperty("java.library.path"), true);
    List<File> allNativeLibraryDirectories = new ArrayList<>(nativeLibraryDirectories);
    allNativeLibraryDirectories.addAll(systemNativeLibraryDirectories);
    //记录所有的Native动态库
    this.nativeLibraryPathElements = makePathElements(allNativeLibraryDirectories, null,
                                                      suppressedExceptions);
    ...
}

DexPathList初始化过程,主要功能是收集以下两个变量信息: dexElements: 记录所有的dexFile文件 nativeLibraryPathElements: 记录所有的Native动态库, 包括app目录的native库和系统目录的native库.

3.最终调用到LoadNativeLibrary()方法该方法主要操作： 3.1通过dlopen打开动态共享库; dlopen返回一个handle,这个句柄是使用其它的dlxxx函数用的，dlsym就是使用dlopen返回的handle，去查找相应的符号，然后返回相应的函数指针的。 3.2通过dlsym获取JNI_OnLoad符号所对应的方法； 3.3调用该加载库中的JNI_OnLoad()方法。

4.jni注册有2种时机 4.1.Android系统启动过程中Zygote注册，可通过查询AndroidRuntime.cpp中的gRegJNI，REG_JNI是一个宏定义，看看是否存在对应的register方法； 4.2.调用System.loadLibrary()方式注册

例如系统MediaPlayer在System.loadLibrary(“media_jni”)时，内部会调用AndroidRuntime::registerNativeMethods，其中有个参数gMethods，记录java层和C/C++层方法的一一映射关系。

5.java层传递的参数会在jni进行一层转换

6.java对于native方法调用最后都是通过dlsym获取相应函数指针执行

7.jni方法签名的作用 Java是有重载方方法的，可以定义方怯名相同，但参数不同的方毡，正因为如此， JNI中仅仅通过方法名是无法找到 Java 中对应的具体方法的，JNI 为了解决这问题就将参数类型和返回值类型组合在起作为方法签名。

8。JNIEnv 主要作用下两点： ·调用 Java 的方法 ·操作 Java （操作 Java 中的变量和对象）。

JNI方法注册方式

Android系统在启动启动过程中，先启动Kernel创建init进程，紧接着由init进程fork第一个横穿Java和C/C++的进程，即Zygote进程。Zygote启动过程中会AndroidRuntime.cpp中的startVm创建虚拟机，VM创建完成后，紧接着调用startReg完成虚拟机中的JNI方法注册。

1.android系统启动时候已经预注册好 这种多出现在android自己系统代码里提供的注册方法

startReg AndroidRuntime.cpp

int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
    //设置线程创建方法为javaCreateThreadEtc
    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);

    env->PushLocalFrame(200);
    //进程JNI方法的注册
    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
        env->PopLocalFrame(NULL);
        return -1;
    }
    env->PopLocalFrame(NULL);
    return 0;
}

register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env)这行代码的作用就是就是循环调用gRegJNI数组成员所对应的方法。

static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env) {
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
        if (array[i].mProc(env) < 0) {
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

gRegJNI数组，有100多个成员变量，定义在AndroidRuntime.cpp：

static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
    REG_JNI(register_android_os_MessageQueue),
    REG_JNI(register_android_os_Binder),
    ...
};

2.应用程序自己注册jni 以MediaPlayer.java为例，其包名为android.media：

public class MediaPlayer{
    static {
        System.loadLibrary("media_jni");
        native_init();
    }

    private static native final void native_init();
    ...
}

通过static静态代码块中System.loadLibrary方法来加载动态库，库名为media_jni, Android平台则会自动扩展成所对应的libmedia_jni.so库。接着通过关键字native加在native_init方法之前，便可以在java层直接使用native层方法。

接下来便要查看libmedia_jni.so库定义所在文件，一般都是通过Android.mk文件定义LOCAL_MODULE:= libmedia_jni，可以采用grep或者mgrep来搜索包含libmedia_jni字段的Android.mk所在路径。

libmedia_jni.so位于/frameworks/base/media/jni/Android.mk

该Android.mk所在目录/frameworks/base/media/jni/中找到android_media_MediaPlayer.cpp文件，并在文件中存在相应的方法：

  static void
android_media_MediaPlayer_native_init(JNIEnv *env)
{
    jclass clazz;
    clazz = env->FindClass("android/media/MediaPlayer");
    fields.context = env->GetFieldID(clazz, "mNativeContext", "J");
    ...
}

总结： JNI注册的两种时机： 1.Android系统启动过程中Zygote注册，可通过查询AndroidRuntime.cpp中的gRegJNI，看看是否存在对应的register方法； 2.调用System.loadLibrary()方式注册。

JNI原理分析

文件MediaPlayer.java中调用System.loadLibrary(“media_jni”)，把libmedia_jni.so动态库加载到内存。以loadLibrary为起点展开JNI注册流程的过程分析。

[System.java] loadLibrary

public static void loadLibrary(String libName) {
    //调用Runtime方法
    Runtime.getRuntime().loadLibrary(libName, VMStack.getCallingClassLoader());
}

[Runtime.java]

void loadLibrary(String libraryName, ClassLoader loader) {
    if (loader != null) {
        String filename = loader.findLibrary(libraryName);
        //加载库
        String error = doLoad(filename, loader);
        if (error != null) {
            throw new UnsatisfiedLinkError(error);
        }
        return;
    }

    //loader为空，则会进入该分支
    String filename = System.mapLibraryName(libraryName);
    List<String> candidates = new ArrayList<String>();
    for (String directory : mLibPaths) {
        String candidate = directory + filename;
        candidates.add(candidate);
        if (IoUtils.canOpenReadOnly(candidate)) {
             //加载库
            String error = doLoad(candidate, loader);
            if (error == null) {
                return; //加载成功
            }
        }
    }
    ...
}

真正加载的工作是由doLoad()

doLoad 该方法内部增加同步锁，保证并发时一致性。

private String doLoad(String name, ClassLoader loader) {
    ...
    synchronized (this) {
        return nativeLoad(name, loader, ldLibraryPath);
    }
}

nativeLoad()这是一个native方法，再进入ART虚拟机的java_lang_Runtime.cc，最终的核心功能工作：

调用dlopen函数，打开一个so文件并创建一个handle；调用dlsym()函数，查看相应so文件的JNI_OnLoad()函数指针，并执行相应函数。

总之，System.loadLibrary()的作用就是调用相应库中的JNI_OnLoad()方法。接下来说说JNI_OnLoad()过程。

JNI_OnLoad [-> android_media_MediaPlayer.cpp]

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
    JNIEnv* env = NULL;
    //注册JNI方法
    if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
        goto bail;
    }
    ...
}

register_android_media_MediaPlayer [-> android_media_MediaPlayer.cpp]

static int register_android_media_MediaPlayer(JNIEnv *env) {
   
    return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
                "android/media/MediaPlayer", gMethods, NELEM(gMethods));
}

其中gMethods，记录java层和C/C++层方法的一一映射关系。

static JNINativeMethod gMethods[] = {
    {"prepare",      "()V",  (void *)android_media_MediaPlayer_prepare},
    {"_start",       "()V",  (void *)android_media_MediaPlayer_start},
    {"_stop",        "()V",  (void *)android_media_MediaPlayer_stop},
    {"seekTo",       "(I)V", (void *)android_media_MediaPlayer_seekTo},
    {"_release",     "()V",  (void *)android_media_MediaPlayer_release},
    {"native_init",  "()V",  (void *)android_media_MediaPlayer_native_init},
    ...
};

这里涉及到结构体JNINativeMethod，其定义在jni.h文件：

typedef struct {
    const char* name;  //Java层native函数名
    const char* signature; //Java函数签名，记录参数类型和个数，以及返回值类型
    void*       fnPtr; //Native层对应的函数指针
} JNINativeMethod;

registerNativeMethods [-> AndroidRuntime.cpp]

int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv* env,
    const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
    return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}

jniRegisterNativeMethods该方法是由Android JNI帮助类JNIHelp.cpp来完成。

jniRegisterNativeMethods [-> JNIHelp.cpp]

extern "C" int jniRegisterNativeMethods(C_JNIEnv* env, const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods) {
    JNIEnv* e = reinterpret_cast<JNIEnv*>(env);
    scoped_local_ref<jclass> c(env, findClass(env, className));
    if (c.get() == NULL) {
        e->FatalError("");//无法查找native注册方法
    }
    // 调用JNIEnv结构体的成员变量
    if ((*env)->RegisterNatives(e, c.get(), gMethods, numMethods) < 0) {
        e->FatalError("");//native方法注册失败
    }
    return 0;
}

RegisterNatives [-> jni.h]

struct _JNIEnv {
    const struct JNINativeInterface* functions;

    jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods,
            jint nMethods)
    { return functions->RegisterNatives(this, clazz, methods, nMethods); }
    ...
}

functions是指向JNINativeInterface结构体指针，也就是将调用下面方法：

struct JNINativeInterface {
    jint (*RegisterNatives)(JNIEnv*, jclass, const JNINativeMethod*,jint);
    ...
}

这个过程完成了gMethods数组中的方法的映射关系，比如java层的native_init()方法，映射到native层的android_media_MediaPlayer_native_init()方法。

虚拟机相关的变量中有两个非常重要的量JavaVM和JNIEnv: JavaVM：是指进程虚拟机环境，每个进程有且只有一个JavaVM实例 JNIEnv：是指线程上下文环境，每个线程有且只有一个JNIEnv实例

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原始发表：2021-03-15，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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