JNI与NDK简析（一）

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1 JNI 简介

在Android Framework中，需要提供一种媒介或 桥梁，将Java层（上层）与C/C++层（下层）有机的联系起来，使得他们互相协调完成某些任务。而充当这种媒介的就是Java本地接口（JNI，Java Native Interface）。

JNI提供一些列的接口，允许Java类与C/C++等本地编辑语言（在JNI中，这些语言被称为 本地语言）编写的应用 程序、模块 、库进行交互操作。比如，在Java类中使用C语言库中的函数或在C语言中使用 Java类库，都需要借助JNI。

Android NDK是一个开发工具集，提供一系列工具快速开发C/C++的动态库，并能自动将 .so/.dll 和 Java 应用一起打包到Apk；

NDK提供工具可以方便JNI调用C/C++,而且提供了交叉编译器可以修改.mk文件生成特定CPU平台的动态库，并能将so和java应用一起打包到apk中；简单说就是JNI负责Java与C/C++进行互相操作，NDK提供工具方便在Android平台使用JNI；

2 JNI 的使用场景

JNI通常有下列使用场景：

▨  注重处理速度：

　　与本地代码（C/C++等）相比，Java代码的执行速度回慢一些。如果对某段程序的执行速度有较高的要求，建议使用C/C++编写代码。而后在Java中通过JNI 调用基于C/C++编写的部分。在开发图像处理或信号处理这类对CPU处理速度有较高要求的程序时，使用C/C++等本地语言编写的相应模块，执行效率 更高，性能也好得多。

▨ 硬件控制：

　　为了更好第控制硬件，硬件控制代码通常使用C语言编写。

▨ 已有C/C++代码的复用：

　　在编程过程中，常常会使用一些已经编写好的C/C++代码，及提高编写效率，又确保程序的安全性与健壮性，这类在第三方库里较为常见，现在许多第三方库都是有C/C++库编写的，比如Ffmpeg。

▨ 代码保护：

　　由于APK的Java层代码很容易反编译，而C/C++库反编译难度很大。

▨ 平台之间移植应用。

在实际Android应用开发中，开发者通常使用Android  SDK开发Java程序。而对于性能要求较高的，常常使用Android提供的 NDK（Native Development Kit） 开发基于C/C++的本地库。而后再通过 JNI将Java程序与C/C++程序集成在一起。NDK提供了一些列的工具，帮助开发者快速开发C/C++动态库。

3 Java中调用C函数库

3.1 在 Android Studio 新建项目

第一步：我们需要下载两个至关重要的Tools，一个是CMake，一个是NDK。

第二步：新建 Project

创建完成后，如下图：

C/C++文件一般存放于cpp目录下。接下来我们看下配置文件 build.gradle：

CMakeLists.txt（代码 3.1-1）：

 cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1) # Android Studio最低要求版本
 
 add_library( # 当前库名称.
              native-lib
 
              # 将库设置为共享库。
              SHARED
 
              # 加载该库里的文件.
              native-lib.cpp)

3.2 多目录，多层次目录时的配置问题

这时，cpp.CMakeLists.txt 设置如下所示（代码 3.2-1）：

 cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1) #指定编译器版本
 
 #指定子文件夹
 add_subdirectory(first)
 add_subdirectory(second)

cpp.first.CMakeLists.txt（代码 3.2-2）

 set(LIBRARY first-lib) # 定义库名称 LIBRARY = first-lib
 
 file(GLOB_RECURSE cpp_first "./*.cpp") # first目录下的所有 .cpp 文件
 
 add_library( # 设置库的名称。
         ${LIBRARY}
 
         # 将库设置为共享库。
         SHARED
 
         # 提供源文件的相对路径。
         ${cpp_first}
         )
 
 find_library( #设置路径变量的名称。
         log-lib
 
         # 指定您希望CMake定位的NDK库的名称。
         log)
 
 target_link_libraries( #指定目标库。
         ${LIBRARY}
 
         # 将目标库链接到NDK中包含的日志库。
         ${log-lib})

3.3 下面看看 java 代码是如何实现的

以类 dinn.cappjni.HelloJNI.java 为例（代码 3.3-1）：

 package dinn.cappjni;
 
 public class HelloJNI {
 
     static {
         System.loadLibrary("first-lib"); // 加载本地库“first-lib”，即 代码 3.2-2
     }
 
     public native void printHello(); // ① 使用【native】关键字申明本地方法，该方法与用C++编写的JNI本地函数相对应。
 
     public native String printString(String str);
 }

那么C++代码如何写呢？我们可通过命令（javah  -jni xxx）生成（注意目录要定位到 java 这层，也可通过 -classpath 重写定位位置。）：

生成成功后，刷新工程目录，就可以看见生成的文件：

然后，我们可以将文件移动到cpp目录下。下面是 dinn_cappjni_HelloJNI.h  的内容（代码 3.3-2）：

 /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
 #include <jni.h>
 /* Header for class dinn_cappjni_HelloJNI */
 
 #ifndef _Included_dinn_cappjni_HelloJNI
 #define _Included_dinn_cappjni_HelloJNI
 #ifdef __cplusplus
 extern "C" {  // extern "C"的主要作用就是为了能够正确实现C++代码调用其他C语言代码。
 #endif
 /*
  * Class:     dinn_cappjni_HelloJNI
  * Method:    printHello
  * Signature: ()V
  */
 JNIEXPORT void JNICALL Java_dinn_cappjni_HelloJNI_printHello (JNIEnv *, jobject);
 
 /*
  * Class:     dinn_cappjni_HelloJNI
  * Method:    printString
  * Signature: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
  */
 JNIEXPORT jstring JNICALL Java_dinn_cappjni_HelloJNI_printString  (JNIEnv *, jobject, jstring);
 
 #ifdef __cplusplus
 }
 #endif
 #endif

接下来，我们实现 dinn_cappjni_HelloJNI.cpp 的内容（代码3.3-3）：

 #include <string>
 #include "dinn_cappjni_HelloJNI.h"
 
 extern "C" {
 /*
  * Class:     dinn_appdemojni_HelloJNI
  * Method:    printhello
  * Signature: ()V
  */
 JNIEXPORT void JNICALL Java_dinn_cappjni_HelloJNI_printHello(JNIEnv *env, jobject obj) {
     printf("Hello JNI!");
     return;
 }
 
 /*
  * Class:     dinn_appdemojni_HelloJNI
  * Method:    printString
  * Signature: (Ljava/lang/String;)V
  */
 JNIEXPORT jstring JNICALL
 Java_dinn_cappjni_HelloJNI_printString(JNIEnv *env, jobject obj, jstring str) {
     // 将String字符串转换成 C字符串
     const char *chars = env->GetStringUTFChars(str, );
     printf("%s! \n", chars);
 
     std::string strOld = chars;
     std::string strNew = "您输入的是：" + strOld;
     return env->NewStringUTF(strNew.c_str());
 }
 }

最后在 Java 中使用时其实很简单，直接调用类HelloJNI中的方法即可，如（代码 3.3-4）所示：

(new HelloJNI()).printHello();

至此，我们实现了 Java 调取本地 C/C++ 函数。那么 本地 C/C++ 库又是怎么调用 Java 的方法呢？

4 在 C 中调用 Java 方法

4.1 新建 Java文件 JniTest.java

 public class JniTest {
 
     private String content;
 
     public JniTest(String content) {
         this.content = content;
     }
 
     // 此方法由本地函数调用
     public String getContent() {
         return content;
     }
 }

4.2 在Java文件 HelloJNI.java 中新增获取对象JniTest的方法 createJniTestObject(), 注意要是静态方法：

 public static native JniTest createJniTestObject();

4.3 生成该Java方法所对应的C++函数：

 JNIEXPORT jobject JNICALL
 Java_dinn_cappjni_HelloJNI_createJniTestObject(JNIEnv *, jclass);

此时我们注意到，生成的C++函数中的第二个参数为 jclass 类型，不再是 jobject。原因是什么呢？想 弄清楚这个，我们需要了解第二个参数的含义。前面的 jobject 类型变量用来保存调用本地方法的对象的引用。而此时的 java 方法为静态（static）的，而静态方法可以不用创建对象，可通过类名直接获取到，因此这里函数的第二个参数为 jclass 类型。

4.4 dinn_cappjni_HelloJNI.cpp

 #include <string>
 #include <android/log.h> // 引用日志的包
 #include "dinn_cappjni_HelloJNI.h"
 
 extern "C" {
 #define TAG "日志【C】"
 #define LOGI(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, TAG, __VA_ARGS__)
 
 // ...
 
 JNIEXPORT jobject JNICALL
 Java_dinn_cappjni_HelloJNI_createJniTestObject(JNIEnv *env, jclass clazz) {
     // 查找生成对象的类
     jclass targetClass = env->FindClass("dinn/cappjni/JniTest"); // 这里要包含类的包名
 
     // 查找构造方法
     jmethodID mid = env->GetMethodID(targetClass, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");
     if (mid == NULL) return NULL;
 
     // 生成 JniTest 对象（返回对象的引用）
     jobject newObject = env->NewObject(targetClass, mid, env->NewStringUTF("【生成 JniTest 对象】"));
 
     // 调用对象方法 getContent();
     mid = env->GetMethodID(targetClass, "getContent", "()Ljava/lang/String;");
     if (mid == NULL) return newObject;
     jstring str = (jstring) env->CallObjectMethod(newObject, mid);
 
     LOGI("【CPP】类JniTest中的变量content = %s\n", env->GetStringUTFChars(str, )); // 打印日志
     return newObject;
 }
 
 }

说明：

第17行： env->GetMethodID(targetClass, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");

◆ 其中第二个参数<init>表示构造方法。如果是非构造方法，直接写方法名称，如第24行。

◆ 第三个参数表示Java变量/方法中的参数的签名。在调用某些JNI函数是，要求提供指定的成员变量或成员方法的签名。当然，开发者可以根据JNI规范中的Java签名生成规则，直接创建签名。但不建议这么做，java系统会为类的成员变量或成员方法生成签名。使用时，只需要使用javap 命令(Java反编译器)，即可轻松获取指定的成员变量或成员方法的签名。

形式：javap [选项] '类名（.class后缀的文件，我们可通过javac编译得到，或者在Android Studio中的build\intermediates\...目录下找到）'

选项：-s 输出java签名

-p 输出所有类及成员

以JniTest.class为例，如下图所示：

红线处即是该成员方法的签名。

最后在Java中我们可以获取到 dinn_cappjni_HelloJNI.cpp 返回的JniTest对象。

 JniTest jniTest = HelloJNI.createJniTestObject();
 if (jniTest != null)
     Log.i("日志（Java）", jniTest.getContent()));