JNI

Sun JNI

JNI oracle 详细文档

• JNI overview

  • 为什么需要 jni？
    • 有了标准以后，native 库可移植。
      • 统一 java 和 native 的互操作接口，使得这个接口不会受具体的 JVM 实现的影响。早期有一些 JVM 规定了私有的与 native 的交互，JVM 之间的 native 操作不兼容。
    • 一些时间要求严格的操作，使用低层次 native 代码进行，牺牲高级语言的方便，提高性能。

• JNI 知识脉络

  • 与 java 的交互
    • java 调用 native
      • jni 方法 load
      • 数据类型 / jni 方法格式
    • native 调用 java
      • jniEnv 提供的 API
        • 反射 : 真的反射 + (类 / 对象/string/array + 方法 / 属性)
        • 锁,JVM 信息

• JNI design

  • JNI 暴露给 native 的是一个 Pointer.Java 调用 native 的方法时，这个 Pointer 作为一个参数(即 JNIEnv，提供了很多操作 JVM 的方法，这些方法叫作 JNI 方法)

    • Pointer->Pointer->Pointer 是一个指针数组，每个指针指向一个方法。

  • 编译/ 链接 /加载

    • java 代码使用System.loadLibrary来加载 native 代码到内存中。JVM 内部为每一个classLoader维护一个已加载的 native library list.

  • JNI 方法名称解析

    • Java_切割的全称类名_切割的方法名[__如果方法重载，切割的方法参数签名]
    • java 方法和 native 方法同名不算重载
    • Unicode 字符以及一些特别的符号（比如_ / ; / [等）会进行相应的转义，转义成_0/_1/...，因为方法名以及类名等不会以数字为开头（所以 JNI 方法名的_数字不会有多重含义）。

  • native 方法参数

    • JNIEnv*是一个 JVM 指针，提供 JVM 对 native 的各种功能：access 对象，读取 native 调用 JNI 产生的 exception 等。
    • 对于静态 native 方法：f(JNIEnv*,jobject,args...)，第二个参数为调用的 class
    • 对于非静态方法：f(JNIEnv*,jobject,args...)，第二个参数为调用的对象。

  • native 引用 JVM 对象

    • 基本类型数据是直接 copy value 的

    • 其余类型传递引用到 native。所以

      1. 对 JVM 来说：JVM 必须对传入 native 的对象引用（reference）做额外的计数，才能保证这些对象不被 gc 清除。
      2. 对 native 代码来说：native 代码必须在不需要引用后，主动通知 JVM。

    • 对于 native 代码来说，对象的 reference 有两种：global和local refs

      • global reference
        • 由 native 代码保存的 JVM 对象引用。
        • 由 native 代码调用globalRef = (*env)->NewGlobalRef(env, localRef)申请，调用(*env)->DeleteGlobalRef(env, globalRef)声明不再引用。
      • local reference 。 没有主动调用的类型
        • 存在周期：从 native 代码开始到 native 代码返回。JVM 在调用 native 方法时主动维护一个 local reference table，保存所有 native 代码引用的 local reference 防止其对象被 gc 掉,在 native 方法结束后将这些 reference 清空，允许 gc 清除。native 代码可以主动调用(*env)->DeleteLocalRef(env, localRef)来允许 JVM 回收这个对象。
        • 包括范围
          • 传入 native 代码的参数；
          • native 代码返回的参数。
          • 包不包括 native 代码请求 JVM 生成的对象呢？
      • 被 native 代码持有的 local reference 和 global reference 都不会被 gc 掉。

    • native 代码获取对象的 property 和调用对象的 method

      • 步骤
        1. jmethodID mid = env->GetMethodID(cls, “f”, “(ILjava/lang/String;)D”);
        2. jdouble result = env->CallDoubleMethod(obj, mid, 10, str);
      • 获取到methodId后，可以继续继续调用env->CallXXXMethod来调用，但是如果调用时这个 class 已经被 JVM unload 了，会产生问题。所以最好每次都GetMethodId后再CallXXXMethod.

    • 错误异常处理

      • native 代码调用 JNI 方法时，JNI 方法可能会抛出错误。native 代码应该在调用 JNI 方法后，调用ExceptionOccurred()来检查是不是发生了错误，获取 pendingException,并且做相应的处理。如果没有处理 pendingException 就调用其他的 JNI 方法，即有可能会发生错误，只有少数几个 JNI 方法在有 pendingException 的情况下可以正常运行

      • native 代码调用 JNI 方法ExceptionClear()来表示 pendingException 已经被处理了。

      • native 代码 return 的时候，有未处理的 pendingException，会在 java 代码里 raise this pendingException

      • native 代码可以调用 JNI 方法ThrowNew(JNIEnv*, exceptionClassObject, exceptionMsgString)来主动 raise an exception.

      • 多线程时的异常处理。？一个线程需要在适当的时候调用ExceptionOccurred()来获取是否另一个线程有异常发生，这里我不能很好的理解。

  • JNI 数据类型

    • 基础类型
      • boolean -> jboolean;
      • byte -> jbyte
      • ...
    • 引用类型
      • jobject / jclass / jstring / jarray / jXXXarray / jthrowable
      • C++里面这些类型有父子继承关系，C 里面都是 jobject.
    • type signature
      • 基础类型：Zboolean Bbyte Cchar Sshort Iint Jlong Ffloat Ddouble
      • 类：L fully-qualified-class ;，比如Ljava/lang/String;
      • 数组：[type，比如[B
      • 方法: ( arg-types ) ret-type ，比如 (ILjava/lang/String;[I)J
    • Modified UTF-8 String
      • 一个 UTF-8 字符占 2 个 byte,Modified UTF-8 字符根据 UTF-8 的字符代码，占据 1 个 byte（ASCII），或者两个，或者三个。这里涉及到了编码的设计。
      • 这个 UTF-8 的设计可以使得 ASCII 字符只占据一个 byte，正式 UTF-8 占两个 byte，对于 ASCII 字符，节省空间。

  • JNI Functions

    • JNIEnv*是一个指针，指向一个包含所有 JNI 方法指针的struct。
    • functions 分类具体的 jni functions.
      • Version Information
      • Class Operations
      • Exceptions
      • Global and Local References
      • Weak Global References
      • Object Operations
      • Accessing Fields of Objects
      • Calling Instance Methods
      • Accessing Static Fields
      • Calling Static Methods
      • String Operations
      • Array Operations
      • Registering Native Methods
      • Monitor Operations
      • NIO Support
      • Reflection Support
      • Java VM Interface

  • Invocation API 。 用来给独立的 native 代码（即不是从 java 的System.loadLibrary加载的 native 代码）操作 JVM 的 API

    • 可以主动新建一个JVM；让 JVM 加载一个指定的class;执行类的某些方法或者进行某些操作（就像一般的 native 代码执行 jvm 方法一样）。

    • JVM 加载 native library

      • jdk1.2 后，native library 跟自己类所在的 classLoader 绑定。一旦所在类的 classLoader 被卸载了，native library 也会被清除；一个 JVM 只能加载一个 native library 一次
      • native library 可以提供一个方法jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved); 在System.loadLibrary时 JVM 主动调用，以获取 native library 要求的 JVM 版本号（比如JNI_VERSION_1_2这些都是已定义好的int常量）。
      • native library 可以提供一个方法void JNI_OnUnload(JavaVM *vm, void *reserved); 在包含 native library 的 class loader 被 gc 的时候由 JVM 主动调用，以让 native code 执行一些必要的内存清理工作（比如释放 global reference 等）。

    • Invocation API functions native 可以用来主动操作 JVM 的方法(全局方法，不需要调用env->XXX，需要在 native code 里#include <jni.h>)。

      • jint JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void *vm_args); native code 调用这个方法来获取 JVM 的默认配置参数，vm_args是一个指向JavaVMInitArgs结构的指针。

      // JavaVMInitArgs结构
      typedef struct JavaVMInitArgs {
          jint version;
      
          jint nOptions;
          JavaVMOption *options;
          jboolean ignoreUnrecognized;
      } JavaVMInitArgs;
      
      // JavaVMOption
      typedef struct JavaVMOption {
          char *optionString;  /* the option as a string in the default platform encoding */
          void *extraInfo;
      } JavaVMOption;
      
      // JavaVM结构
      typedef const struct JNIInvokeInterface *JavaVM;
      const struct JNIInvokeInterface ... = {
          NULL,
          NULL,
          NULL,
      
          DestroyJavaVM,
          AttachCurrentThread,
          DetachCurrentThread,
      
          GetEnv,
      
          AttachCurrentThreadAsDaemon
      };
      
      

      • 从 JDK1.2 开始，不支持一个进程里有多个 JVM 了。所以下面的几个方法都受到影响（比如只能获得一个 JVM，或者是）

        • jint JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM **vmBuf, jsize bufLen, jsize *nVMs); 获取创建的所有 JVM，放到vmBuf里。
        • jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM **p_vm, void **p_env, void *vm_args); 新建一个JavaVM，native code 所在的线程将会是 JVM 的主线程，参数p_env会用来放 JVM 主线程的JNI Interface，参数vm_args是指向JavaVMInitArgs结构的指针。

      • Java VM结构方法表中的方法：

        • jint DestroyJavaVM(JavaVM *vm);将当前线程 attatch 到 JVM 上，在该线程成为 JVM 的唯一用户线程时，退出该 JVM 并且释放其占有的资源。
        • jint AttachCurrentThread(JavaVM *vm, void **p_env, void *thr_args); 把当前线程加到 JVM 里，参数p_env接收加进去以后的JNI Interface的指针，thr_args是增加线程到 JVM 的参数，结构如下：

        typedef struct JavaVMAttachArgs {
            jint version;  /* must be at least JNI_VERSION_1_2 */
            char *name;    /* the name of the thread as a modified UTF-8 string, or NULL */
            jobject group; /* global ref of a ThreadGroup object, or NULL */
        } JavaVMAttachArgs
        

        • jint AttachCurrentThreadAsDaemon(JavaVM* vm, void** p_env, void* args); 把当前线程作为 Daemon thread加到 JVM 里。如果已经加过了，单纯地设置p_env的值，不会改变已经添加的线程的 daemon 状态（即如果之前不是 daemon，调用这个方法并不会让其变成 daemon）
        • jint DetachCurrentThread(JavaVM *vm); 取消 JVM 里的当前线程，其占有的锁都会释放掉。
        • jint GetEnv(JavaVM *vm, void **env, jint version);获取 JVM 中当前线程对应的JNI Interface，version参数为要求的 JVM version，如果实际的 JVM 不支持指定的 version 的话（比如实际为1.1要求的却是1.2），会返回错误，

Java 命令行中使用 jni

1. 编写 java/kt 代码，注册 native 方法，在static代码块中执行System.loadLibrary（对于 kt 为 companion object 的 init block）.
2. 通过 java/kt 代码生成 class 文件
   • 使用javac或者kotlinc（在 AS 的 plugins 中有该工具），生成.class.
3. 使用javah X.class对生成的.class文件，生成所需的 C header file , .h
4. 编写 .h 对应的 .c 文件，在其中实现方法声明的方法。
5. 调用 gcc -c X.c 来生成 .o 文件
6. 调用 gcc -shared -o X.so X.o 来生成 .so文件，得到共享库。（在 linux 上为libXXX.so，在 Mac 上为libXXX.jnilib）
   • gcc.md
7. 调用 java 执行有 jni 参与的 java 类。
   • 使用-Djava.library.path=""来引用所有的 jni 库
   • 使用-cp来指定所需的 class 或者 jar.
   • java_command.md

问题

何时加载 so

在调用 native 方法前的任何时间都可以.通常在类的 static 代码块中进行加载.

jni 方法是如何进行注册的.

• 静态注册 : 通过 javah 生成 .h 文件,实现其中的方法. 优点: 简单; 缺点 : 方法名长.
• 动态注册 : 通过在 jNI_OnLoad 方法中调用 JNIEnv.registerNatives 来进行注册,其中参数有 java 方法名 和 c 方法指针 的对应.

jni 的 java 层和 c 层的参数类型如何转换? Integer 会转成什么类型? string 呢?

• 除了 string/class/Throwable 外的 Object 都转成 jobject.
• Integer 是 jobject , string 是 jstring

JNIEnv 是线程相关的吗?

• 是的, JNIEnv 是线程独立的.

JNI 如何在 native 调用 java 的方法? 如何获取一个对象的属性?

• 找到 jclass -> 通过 jniEnv.getMethodId(jclass, methodName, methodSig) 获取 jMethodID -> 通过 jniEnv.callVoidMethod(obj, methodId, params) ;
  对于 static 方法要使用 jniEnv.callStaticVoidMethod (可能是因为涉及到方法的分派)
• 对象的成员变量需要用 getByyteField 等方法来获取.