JNI与底层调用1

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1. JNI 简介

1.1 什么是JNI

Java Native Interface(JNI)，它允许Java 代码和其他语言写的代码进行交互。JNI 一开始是为了本地已编译语言，尤其是C 和C++而设计的，但是它并不妨碍你使用其他语言，只要调用约定受支持就可以了。

Java Native Interface，java本地接口，Native本地，当前系统用什么语言开发的那么 这种语言对于这个系统而言就是本地语言，android底层是linux linux是c/c++开发的 所以对于android来说 c/c++就是本地语言。JNI 可以看做是一个翻译 实现JAVA语言和本地语言之间的相互调用

1.2 为什么用JNI

  • JNI 扩展了Java 虚拟机的能力,因为Java 不能直接和硬件交互, 不能开发驱动
  • Java 代码效率一般要低于C 代码，而Native code 效率高,因此在数学运算,实时渲染的游戏上以及
    音视频处理上都需要用Java 调用C 语言
  • 复用C/C++代码，C 语言经过几十年的发展，已经形成了强大的类库(比如文件压缩，人脸识别opencv，7zip，ffmpeg 等)，这些类库我们没必要用java 语言重新实现一遍，通过JNI 直接调用这些类库即可
  • 特殊的业务场景，比如电视、车载系统、微波炉等跟硬件直接相关的开发
  • java代码 不可以直接操作硬件 硬件的驱动基本都是C代码写的 如果想操作硬件必须得让java代码可以调用C，这个时候JNI就发挥作用了 可以扩展JAVA代码的性能
  • java代码安全性比较差 java->,class->. C安全性相对高一些 C编译之后直接生成机器码 机器码可以反汇编 汇编代码可以猜出C的源代码 伪代码 有些时候跟源代码有区别 比如登录先关 跟钱打交道的应用 可以通过JNI把加密的业务逻辑放到C里面实现
  • Java特点 跨平台 一处编译到处运行 通过虚拟机来实现的 java是解释型语言 效率相对比较低在要求效率的地方 java性能会差一些 大型3d游戏 c/c++ 音视频解码 JNI可以提升java的效率 复式投注 需要效率的时候可以通过JNI来调用C/C++来实现
  • c1972年 c++ java 1995年 ffmpeg音视频解码 opencv 图像处理 人脸识别 使用JNI可以让java代码调用 c/c++写的优秀开源项目，学习JNI目的是满足自己项目的需求

2. NDK 简介

2.1 NDK 产生的背景

Android 平台从诞生起，就已经支持C、C++开发。众所周知，Android 的SDK 基于Java 实现，这意味着基于Android SDK 进行开发的第三方应用都必须使用Java 语言。但这并不等同于“第三方应用只能使用Java”。在Android SDK 首次发布时，Google 就宣称其虚拟机Dalvik 支持JNI 编程方式，也就是第三方应用完全可以通过JNI 调用自己的C 动态库，即在Android 平台上，“Java+C”的编程方式是一直都可以实现的

不过，Google 也表示，使用原生SDK 编程相比Dalvik 虚拟机也有一些劣势，Android SDK 文档里，找不到任何JNI 方面的帮助。即使第三方应用开发者使用JNI 完成了自己的C 动态链接库（so）开发，但是so 如何和应用程序一起打包成apk 并发布？这里面也存在技术障碍。比如程序更加复杂，兼容性难以保障，无法访问Framework API，Debug 难度更大等。开发者需要自行斟酌使用

于是NDK 就应运而生了。NDK 全称是Native Development Kit

NDK 的发布，使“Java+C”的开发方式终于转正，成为官方支持的开发方式。NDK 将是Android 平
台支持C 开发的开端

2.2 为什么使用NDK

  • 代码的保护。由于apk 的java 层代码很容易被反编译，而C/C++库反编译难度较大
  • 可以方便地使用现存的开源库。大部分现存的开源库都是用C/C++代码编写的
  • 提高程序的执行效率。将要求高性能的应用逻辑使用C 开发，从而提高应用程序的执行效率
  • 便于移植。用C/C++写得库可以方便在其他的嵌入式平台上再次使用

2.3 NDK 简介

2.3.1 NDK 是一系列工具的集合

NDK 提供了一系列的工具，帮助开发者快速开发C（或C++）的动态库，并能自动将so 和java 应用
一起打包成apk。NDK 集成了交叉编译器，并提供了相应的mk 文件隔离CPU、平台、ABI 等差异，开发人员只需要简单修改mk 文件（指出“哪些文件需要编译”、“编译特性要求”等），就可以创建出so

2.3.2 NDK 提供了一份稳定、功能有限的API 头文件声明

Google 明确声明该API 是稳定的，在后续所有版本中都稳定支持当前发布的API。从该版本的NDK
中看出，这些API 支持的功能非常有限，包含有：C 标准库（libc）、标准数学库（libm）、压缩库（libz）、Log 库（liblog）。

3. NDK 的安装

3.1 NDK 的下载

NDK 的官方下载地址

3.2 将NDK 解压到一个不包含空格和中文的目录下

本人将NDK 解压在D:\software\ndkr9\android-ndk-r9b 中

3.3 NDK 目录结构说明

自定好组合控件之后，之前的activity_setting.xml 中的代码就可以进行简化，具体如下所示：

  • build：该目录存放的使用NDK 的mk 脚本，mk 脚本指定了编译参数
  • docs：该目录存放的是NDK 的使用帮助文档
  • platforms：这里面存放的是与各个Android 版本相关的平台（x86，arm，mips）相关C 语言库和头文件
  • prebuilt：预编译工作目录
  • samples：存放的是演示程序
  • sources：存放的是NDK 工具链的C 语言源码
  • tests：测试相关的文件
  • toolchains：工具链，存放了三种架构的静态库等文件
  • ndk-build.cmd：Window 平台使用NDK 的命令
  • ndk-build：Linux 平台使用NDK 的命令

4. JNI 入门

下面通过一个简单的JNI 案例来演示如何使用JNI 编程。

1）创建一个新的Android 工程《JNI 入门》，工程的最终目录结构如下图所示。

2）在MainActivity.java 类中定义一个native 方法

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//定义一个native 方法，意思是该方法的具体实现交给C 语言实现
public native String helloC();

3）在工程跟目录下创建一个文件夹jni，该目录名称是约定（约定优于配置）好的，不能是其他名
字。
4）在jni 目录下创建hello.c 源文件，文件名可以按照见名知意的规则来创建。hello.c 代码清单如下。

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#include<stdio.h>//引入头文件
 //引入jni.h jni.h 文件里面定义了jni 的规范，jni.h 在ndk 的目录中找到，然后放到当前工程中的jni目录下即可
#include<jni.h>
//定义在MainActivity.java 类中的helloC 对应的C 语言函数
jstring Java_com_itheima_jnihello_MainActivity_helloC(JNIEnv* env, jobject obj) {
char* str = "hello from C";
//调用jni.h 中定义的创建字符串函数
jstring string = (*(*env)).NewStringUTF(env, str);
return string;

Tips：上面的代码虽然简单但是关于jni.h 头文件和方法名必须单独说明。

  • jni.h 头文件位于NDK 安装目录下/platforms/android-*/(某平台)/usr/include 目录中，如下图

上面的某平台指CPU 的三种架构如下图。我们选择任意一架构皆可，但是对于手机来说CPU 用arm
架构的最多，x86 次之，mips 架构最少。

  • JNI 中C 源文件方法名的命名规则

这里的命名规则指用于跟java 文件中native 方法对应的C 语言方法，而C 语言中的其他方法命名只
要符合C 语言规则就行。

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jstring Java_com_itheima_jnihello_MainActivity_helloC(JNIEnv* env, jobject obj)

jstring 是方法返回值类型，我们可以把jstring 看成是java 中String 跟C 语言中char*类型的一个中间转换类型，java 跟C 语言的数据类型是不一样的，他们之间要想互相调用就必须通过一种中介来实现，这个中介就是在jni.h 头文件中定义的。关于更多的转换类型，在本文档的第2 章会有更详细的说明。

方法名第一个字母必须是Java，首单词大写，然后下划线，然后是将该方法所在的包、类、方法用“”连接起来,比如com.itheima.jnihello.MainActivity 类中的helloC 方法，转变成C 语言中的方法名为Java_com_itheima_jnihello_MainActivity_helloC。

方法的形参有两个是必须的也就是不管java 中的方法是否有形参，但是C 语言中对应的方法必须有
JNIEnv* env,和jobject obj，如果java 方法中还用其他形参，那么在C 语言中严格按照顺序排在jobject obj参数的后面即可。

上面的env 代表指向JVM 的指针，obj 是调用该方法的java 对象。

5）使用NDK 工具将hello.c 编译成hello.so 文件
为了方便直接在控制台中使用NDK 工具的ndk-build.cmd 命令，我们首先将ndk-build.cmd 所在的目录设置成系统环境变量。环境变量配置好以后，在命令行中输入ndk-build.cmd 会有如下提示：

将当前目录切换到hello.c 所在的工程目录，这时候如果直接输入ndk-build.cmd 那么会出现如下异常：

出现这种错误时因为我们并没有告诉ndk 我们要将那个C 语言源代码编译成目标文件。为了告诉ndk

要将那个C 源文件编译成目标文件，我们需要在工程中的jni 目录中添加Android.mk 配置文件。

6）在当前工程的jni 目录下添加Android.mk 配置文件，该配置文件可以从ndk 安装目录的实例代码中拷贝，然后修改。

Android.mk 文件清单如下，我们只需要修改LOCAL_MODULE 和LOCAL_SRC_FILES 两个参数即可。LOCAL_MODULE 参数是指定编译后的目标文件的名称，其实编译好的目标文件名为libhello.so，LOCAL_SRC_FILES 指定了要编译的源文件。

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LOCAL_PATH := $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE := hello
LOCAL_SRC_FILES := hello.c
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

7）在cmd 中，将当前目录切换到hello.c 所在目录，然后重新执行ndk-build.cmd 命令，这次成功编译，cmd 显示效果如下图所示。

查看项目目录结构，发现在libs 目录中多了两个文件夹armeabi 和x86，这两个文件夹下分别包含了
一个libhello.so 动态链接库。这也代表着当前工程中的动态库支持arm 架构和x86 架构的cpu。

Tips：可能你的并没有同时生成这两个文件，是因为我的工程中引入了Application.mk 文件，因此你需要引入该文件。

Application.mk 文件清单：

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# Build both ARMv5TE and ARMv7-A machine code.
APP_ABI := armeabi x86

8）该清单其实只有一行内容，第一行是注释。APP_ABI 参数指定要生成的目标文件支持的平台都有哪些，默认是armeabi 如果想支持多个平台只需要空一格然后写出其他平台名字即可。在MainActivity.java 中调用C 语言

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public class MainActivity extends Activity {
    //加载libhello.so 动态库，但是我们加载的时候必须去掉lib 和后缀
    static{
        System.loadLibrary("hello");
    }
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
    }
    //定义一个native 方法，意思是该方法的具体实现交给C 语言实现
    public native String helloC();
    //点击按钮调用C 语言方法
    public void click(View view){
        Toast.makeText(this, helloC(), 1).show();
    }
}

运行上面工程，效果如下：


Tips：如果我们编译的arm 平台的so 文件，但是却部署到了x86 平台的模拟器上，那么运行的时候会报找不到libhello.so 的异常。

5. JNI 规范

5.1 JNI 数据类型和数据结构

1）基本数据类型
JNI 基本类型和本地等效类型的对应表格如下：

2）引用类型，JNI 还包含了很多对应于不同Java 对象的引用类型，JNI 引用类型的组织层次如下图所示：

5.2 JNI 接口函数命名方式

设置向导二SetUpActivity2.java 的代码逻辑如下所示，设置向导二的图形化界面如2-20 所示。

5.2.1 类型签名

Java 虚拟机的类型签名如下：

类型签名 Java 类型
Z boolean
B byte
C char
S short
I int
J long
F float
D double
Lfully-qulitied-class; 全限定类
[type type[] 数组
(argtypes)rettype 方法类型

例如，Java 方法int feet(int n, String s,int [] arr)的类型签名如下：

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（ILJava/lang/String;[I）I

圆括号里面为参数，I 表示第一个参数int 型，LJava/lang/String;表示第二个参数为全限定Java.lang.String类型，[I 表示第三个参数为int 型的数组，圆括号后面为返回值类型，I 表示返回值为int 型。

5.2.2 一般函数的JNI 接口函数命名方式

一般JNI 接口函数命名如下：Java包名类名_方法名。

例如：某工程下com/itheima 包下MainActivity 类的int getIntFromC()方法的C 语言实现函数命名如下：

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jint Java_com_itheima_MainActivity_getIntFromC(JNIEnv* env,jobject obj)

其中，包名所包含的“/”应全部以下划线替代，其本地实现的参数和返回值也应转换为JNI 类型。

5.2.3 重载函数的JNI 接口函数命名方式

重载函数的JNI 实现在一般函数的JNI 实现之外，还应添加上类型签名以作为同名函数之间的区别，
其接口函数命名如下：Java包名类名方法名参数签名。

例如：某工程下com/itheima 包下MainActivity 类的int getIntFromC(int n, String s,int [] arr)方法的C 语言实现函数命名如下：

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jint Java_com_itheima_MainActivity_getIntFromC_ILJava_lang_String23I
(JNIEnv* env, jobject obj, jint n, jstring s, jintarray arr)

JNI 在函数命名时采用名字扰乱方案，以保证所有的Unicode 字符都能转换为有效的C 函数名，所有的“/”,无论是包名中的还是全限定类名中的，均使用“_”代替，用_0,„,_9 来代替转义字符，如下：

转义字符序列 表示
_0XXXX Unicode 字符XXXX
_1 字符“_”
_2 签名中的字符“；”
_3 签名中的字符“[”

5.3 JNI 函数与API

设置向导三SetUpActivity3.java 的代码逻辑如下所示，设置向导三的图形化界面如2-21 所示。
在本文档中我们所主要需要关心的是C/C++数据类型与JNI 本地类型之间的转化过程，这个过程某些
数据的转换需要使用JNIEnv 对象的一系列方法来完成。

5.3.1 jstring 转换为C 风格字符串

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char* test = (char)(env)->GetStringUTFChars(env,jstring,NULL);

使用完毕后，应调用：

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(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, jstring, test);

释放资源。

5.3.2 C 风格字符串转换为jstring

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char charStr[50];
jstring jstr;
jstr = env -> NewStringUTF(charStr);

5.3.3 C 语言中获取的一段char*的buffer 传递给Java

在jni 中new 一个byte 数组，然后使用

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(*env)->SetByteArrayRegion(env, bytearray, 0, len, buffer)

操作将buffer 拷贝到数组中。这种方式主要是针对buffer 中存在“\0”的情况，如果以C 风格字符串的方式读入，就会损失“\0”之后的字符。

5.3.4 数组操作

JNI 函数 功能
GetArrayLength 返回数组中的元素数
NewObjectArray 创建一个指定长度的原始数据类型数组
GetObjectArrayElement 返回Object 数组的元素
SetObjectArrayElement 设置Object 数组的元素
GetObjectArrayRegion 将原始数据类型数组中的内容拷贝到预先分配好的内存缓存中
SetObjectArrayRegion 设置缓存中数组的值
ReleaseObjectArrayRegion 释放GetObjectArrayRegion 分配的内存

Tips：对int，char 等基本数据类型的数组操作，将相关Object 名称替换为对应基本数据类型名称即
为相关函数。

数组操作的方法选择基于使用者的需求而定，如果使用者需要在内存中拷贝数组并对其进行操作那么一般使用GetObjectArrayRegion 和SetObjectArrayRegion 函数，否则一般使用SetObjectArrayElement 和GetObjectArrayElement 函数。

6. 案例-银行登录系统

需求：假设银行的登陆模块是用C 语言来编写的，但是我们的Android 应用想登陆银行系统，那么就
需要通过JNI 来实现了。

创建一个新Android 工程《建行客户端》，工程目录结构如下图。

在工程中创建jni 文件夹，然后将jni.h、Android.mk、Application.mk 从JNI 入门工程拷贝进去。
在jni 目录下创建login.c 文件，在该文件中实现登录业务逻辑。代码清单如下。

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#include<stdio.h>
//系统在查找投文件的时候""中的文件会去本地搜索，<>中的文件会去系统目录中搜索，因为jni.h 在当前目录中
所以用""将jni.h 引起来，可以加快搜索速度
#include"jni.h"
int login(int card,int pwd){
    //真实的业务逻辑要复杂的多，这里只简单的返回银行卡号和密码号
    return card+pwd;
}
jint Java_com_itheima_ccb_MainActivity_login(JNIEnv* env,jobject obj,jint card,jint
        pwd){
    return login(card,pwd);
}

是用ndk 工具，将login.c 编译成动态库文件。编译前修改Android.mk 文件的LOCAL_SRC_FILES := login.c

编写在MainActivity.java 类

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public class MainActivity extends Activity {
    static{
        System.loadLibrary("login-jni");
    }
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
    }
    public native int login(int card,int pwd);
    public void login(View view){
        EditText et_card = (EditText) findViewById(R.id.et_card);
        EditText et_pwd = (EditText) findViewById(R.id.et_pwd);
        int card = Integer.valueOf(et_card.getText().toString());
        int pwd = Integer.valueOf(et_pwd.getText().toString());
        int result = login(card, pwd);
        Toast.makeText(this, ""+result, 1).show();
    }
}

布局文件比较简单，这里就不再给出。运行上面的代码，运行结果如下：

7. CDT 插件的安装

7.1 CDT 简介

CDT 项目致力于为Eclipse 平台提供功能完全的C/C++ 集成开发环境（Integrated Development
Environment，IDE）。CDT 是完全用Java 实现的开放源码项目（根据Common Public License 特许的），它作为Eclipse SDK 平台的一组插件。这些插件将C/C++ 透视图添加到Eclipse 工作台（Workbench）中，现在后者可以用许多视图和向导以及高级编辑和调试支持来支持C/C++ 开发。

7.2 CDT 的下载

CDT 插件可以通过eclipse 的在线安装，但是受限于跨国家网络访问，一般不是很好用。因此这里我主要给大家说的是如何离线安装。

下载CDT 离线安装包。针对不同版本eclipse 的cdt 安装包如下，大家可以从我的百度网盘上直接下载。考虑到我们大部分都用的最新的ADT 因此建议选择8.5.0 版本的CDT。

选择eclipse 的Help->Install New Software…，弹出如下对话框

点击Add 按钮，在弹出的对话框中输入Name。在Location 栏如果输入一个http 地址是让eclipse
自动从网络上下载安装，这里我们点击Archive 按钮找到我们事先下载好的离线安装包。然后点击OK。

将CDT 所有的插件勾选上，同时将最下面的联网检查更新去掉勾选，然后点击Next，直到Finish。

安装好以后在File->New->Other 中会有C/C++选项，如下图。

在Open Perspective 中也多了C/C++视图可选项，如下图。

安装好以后，我们就可以在eclipse 中开发我们的C/C++工程了。不过对我们Android 开发人员来说用到的机会不是很多。就算是开发C/C++工程，大多数程序员也不会选择在eclipse 平台上进行开发。Eclipse更多的是专注于Java 语言项目的开发，比如JavaEE、Android。

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