JNI：性能优化与内存泄漏防范

在JNI层进行性能优化和防止内存泄漏是Android NDK开发的核心挑战之一。以下是我在实践中总结的关键策略和最佳实践。

一、JNI引用管理（防止内存泄漏的核心）

1、引用类型与生命周期

• 局部引用 (Local References)：
  • 默认创建（如FindClass, GetObjectClass, NewObject）。
  • 自动释放：当Native方法返回Java时，所有关联的局部引用通常会被自动释放。
  • 手动释放：在以下场景必须手动释放 (env->DeleteLocalRef(localRef))：
    • 创建大量局部引用（如在循环中创建对象），避免超出JVM规定的局部引用表容量（通常512-1024）。
    • 长时间运行的Native方法（如后台线程回调）。
    • 需要提前释放大对象释放内存。
• 全局引用 (Global References)：
  • 显式创建：env->NewGlobalRef(obj)
  • 特点：生命周期贯穿整个JVM进程，除非显式释放 (env->DeleteGlobalRef(globalRef))。
  • 用途：缓存类引用（jclass）、方法ID（jmethodID）、字段ID（jfieldID）或需要在多个Native调用间共享的Java对象。
  • 关键点：务必成对使用NewGlobalRef和DeleteGlobalRef。忘记删除是严重的内存泄漏源。
• 弱全局引用 (Weak Global References)：
  • 创建：env->NewWeakGlobalRef(obj)
  • 特点：不会阻止GC回收对象。对象回收后，引用变为NULL。
  • 检查有效性：env->IsSameObject(weakGlobalRef, NULL) == JNI_TRUE 或 env->IsSameObject(weakGlobalRef, ...)。
  • 释放：env->DeleteWeakGlobalRef(weakGlobalRef)。
  • 用途：缓存可能被GC回收的对象（如Activity Context的弱引用），避免因强引用导致Activity无法销毁。

2、关键ID的缓存

• jclass, jmethodID, jfieldID：
  • 昂贵操作：FindClass, GetMethodID, GetFieldID 涉及查找和验证，开销大。
  • 最佳实践：
    • 类加载时初始化缓存：在JNI_OnLoad或首次使用类的Native方法中查找并缓存为全局引用。
    • 线程安全：使用pthread_once或C++11的std::call_once确保只初始化一次。
    • 示例 (C++):

static jclass gMyClass = nullptr;
static jmethodID gMyMethodID = nullptr;

JNIEXPORT jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
    JNIEnv* env;
    if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) return JNI_ERR;
    jclass localMyClass = env->FindClass("com/example/MyClass");
    if (!localMyClass) return JNI_ERR;
    gMyClass = static_cast<jclass>(env->NewGlobalRef(localMyClass)); // 提升为全局引用
    env->DeleteLocalRef(localMyClass); // 删除不再需要的局部引用
    gMyMethodID = env->GetMethodID(gMyClass, "myMethod", "()V");
    if (!gMyMethodID) return JNI_ERR;
    return JNI_VERSION_1_6;
}

JNIEXPORT void JNI_OnUnload(JavaVM* vm, void* reserved) {
    JNIEnv* env;
    if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) return;
    if (gMyClass) {
        env->DeleteGlobalRef(gMyClass);
        gMyClass = nullptr;
    }
    // jmethodID/jfieldID 本身是普通指针，不需要Delete，但关联的jclass需要
}

二、内存管理（Native & Java）

1、Native内存分配

• 明确所有权：清晰定义Native内存由谁分配、由谁释放、在何时释放（通过Java回调、析构函数、JNI_OnUnload等）。
• 使用智能指针 (C++)：std::unique_ptr, std::shared_ptr 结合自定义删除器（如free, delete[], 特定库的释放函数）能极大减少手动内存管理错误。
• 避免野指针：Java对象持有Native指针时（long nativePtr），在finalize()或nativeDestroy()方法中同步释放Native资源，并将指针置null。确保Native代码检查指针有效性。

2、Java对象访问

• 减少JNI调用次数：JNI调用开销相对较大。优先批处理数据。
• 高效数组访问：
  • Get<PrimitiveType>ArrayElements/Release<PrimitiveType>ArrayElements
    • 可能返回指向Java数组原始内存的指针（JNI_ABORT不写回，JNI_COMMIT写回但不释放）。
    • 注意：Get可能复制整个数组！Release是必须的。
  • GetPrimitiveArrayCritical/ReleasePrimitiveArrayCritical
    • 最高性能，可能直接暴露原始内存。
    • 限制：调用期间不能调用其他JNI函数，不能进行可能导致线程阻塞的操作（GC被暂停）。
    • 尽快释放，避免长时间持有。
  • 直接字节缓冲区 (DirectByteBuffer)
    • 创建：env->NewDirectByteBuffer(nativeAddress, capacity)
    • 零拷贝：Java层通过ByteBuffer直接操作Native内存。
    • 管理：Native内存生命周期必须独立管理，通常关联一个Cleaner（通过java.nio.DirectByteBuffer的构造函数或sun.misc.Unsafe）在GC时触发Native释放回调（PhantomReference + ReferenceQueue）。
• 字符串处理：
  • GetStringChars / ReleaseStringChars (UTF-16) 或 GetStringUTFChars / ReleaseStringUTFChars (Modified UTF-8)。
  • 尽早释放，避免长时间持有。
  • 考虑GetStringRegion / GetStringUTFRegion 复制部分字符串到预分配缓冲区，避免潜在复制和释放操作。

三、线程与并发

1、线程附着 (Attaching Native Threads to JVM)

• 通过JavaVM*（保存在JNI_OnLoad）调用 AttachCurrentThread / AttachCurrentThreadAsDaemon 获取JNIEnv*。
• 必须配对调用 DetachCurrentThread()。忘记Detach是常见泄漏，导致线程资源无法释放，关联的JavaThread对象泄漏。
• 最佳实践：
  • 使用pthread_key_create + pthread_setspecific + pthread_getspecific 或 C++11 thread_local 存储JNIEnv*（确保只attach一次）。
  • 在线程退出前或使用RAII包装器确保Detach。

class ScopedJniEnv {
public:
    ScopedJniEnv(JavaVM* jvm) : m_jvm(jvm), m_env(nullptr), m_attached(false) {
        jint ret = m_jvm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&m_env), JNI_VERSION_1_6);
        if (ret == JNI_EDETACHED) {
            ret = m_jvm->AttachCurrentThread(&m_env, nullptr);
            if (ret == JNI_OK) m_attached = true;
        }
    }
    ~ScopedJniEnv() {
        if (m_attached && m_jvm) {
            m_jvm->DetachCurrentThread();
        }
    }
    JNIEnv* operator->() { return m_env; }
    operator JNIEnv*() { return m_env; }
private:
    JavaVM* m_jvm;
    JNIEnv* m_env;
    bool m_attached;
};

2、线程安全

• *JNIEnv 是线程绑定的**：不能跨线程使用。
• 全局数据访问：缓存的数据（如全局引用、ID）通常是线程安全的（只读），但涉及修改的全局状态需要同步（互斥锁）。

四、异常处理

1、检查异常：在执行可能抛出异常的JNI调用后（尤其是调用Java方法Call<Type>Method、创建对象NewObject、访问字段/方法ID），立即检查异常：

env->CallVoidMethod(obj, methodID, ...);
if (env->ExceptionCheck()) {
    env->ExceptionDescribe(); // 打印日志（调试用）
    env->ExceptionClear();    // 清除异常（如果打算在Native处理）
    // 或者 return 让异常传播到Java层
}

2、抛出Native异常：env->ThrowNew(env->FindClass("java/lang/Exception"), "Error message")。

3、关键点：异常发生时，JNI函数会立即返回。后续代码可能因异常状态而行为异常。要么清除异常，要么尽快返回Java。

五、性能优化技巧

1、最小化JNI调用边界：批处理数据。例如，传递一个包含多个数据的结构体或数组，而不是多次调用单个getter/setter。

2、选择合适的数组访问方法：

• 小数组/临时访问：Get/ReleaseArrayElements。
• 大数组/性能关键且能遵守Critical规则：Get/ReleasePrimitiveArrayCritical。
• 已知大小/只需部分数据：GetArrayRegion/SetArrayRegion。

3、缓存一切可缓存：类引用、方法ID、字段ID、字符串常量（提升为全局引用）。

4、避免不必要的对象创建：在Native循环中谨慎创建Java对象（局部引用积累）。

5、使用高效的Native算法：将计算密集型任务完全放在Native侧执行，只通过JNI传递输入输出。

六、工具链与调试

1、内存泄漏检测：

• AddressSanitizer (ASan)：Android NDK r21+ 默认支持。检测堆栈溢出、use-after-free、内存泄漏等。在build.gradle中启用：

android {
    defaultConfig {
        externalNativeBuild {
            cmake {
                arguments "-DANDROID_ARM_MODE=arm", "-DANDROID_STL=c++_shared"
                cFlags "-fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer"
                cppFlags "-fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer"
            }
        }
        packagingOptions {
            doNotStrip "**/*.so"
        }
    }
}

• LeakSanitizer (LSan)：通常集成在ASan中，专门检测内存泄漏。
• Valgrind (较老设备/模拟器)：功能强大但速度慢。
• Android Studio Profiler (Memory Profiler)：
  • 追踪Java堆和Native堆分配。
  • 捕获堆转储，分析对象引用链。
  • 识别Native内存增长（libc malloc/free）。

2、性能分析：

• Simpleperf：Android官方的强大Native性能分析工具。分析CPU周期、缓存命中率、函数热点。
• Android Studio Profiler (CPU Profiler)：可视化Native调用栈，支持跟踪采样。
• Perfetto：系统级跟踪工具，整合CPU、内存、GPU、电池等信息，分析JNI调用开销和Native代码性能。

七、编码规范与最佳实践总结

1、RAII (Resource Acquisition Is Initialization)：在C++中广泛使用构造函数获取资源、析构函数释放资源（智能指针、自定义资源管理类如上面的ScopedJniEnv）。

2、检查所有JNI函数返回值：特别是FindClass, GetMethodID, NewGlobalRef等，失败返回NULL或抛出异常。

3、谨慎处理Java回调：确保回调发生时Java对象（如Activity）仍然有效（使用弱全局引用或检查isDestroyed()）。

4、彻底测试生命周期：模拟Activity重建、配置变更、低内存事件、后台切换等场景，验证资源释放和泄漏。

5、代码审查：重点关注NewGlobalRef/DeleteGlobalRef、NewWeakGlobalRef/DeleteWeakGlobalRef、AttachCurrentThread/DetachCurrentThread、Get<Type>ArrayElements/Release<Type>ArrayElements、GetPrimitiveArrayCritical/ReleasePrimitiveArrayCritical、NewDirectByteBuffer关联的释放机制、Native指针在Java侧的释放点。

6、日志与断言：在关键资源管理点添加详细日志和断言（assert(ptr != nullptr)）。

核心原则：JNI层的内存泄漏往往源于对JVM引用生命周期管理的疏忽（尤其是全局引用和线程附着）以及Native内存与Java对象生命周期的不同步。严格遵循引用管理规则、善用现代C++特性（智能指针、RAII）、充分利用强大的工具（ASan, Profiler, Simpleperf）进行检测和分析，是构建高性能、无泄漏JNI代码的关键。