JNI與Android(安卓)VM之關係

Java与下层的沟通，UI由java来写，底层的硬件层由C/C++来写。上下层的沟通需要一个interface，就是说有一个构架，我们的C++需要提供一个怎样的接口，Java也必须知道我需要怎么调用c/C++，这些都是固定规定的。这里有一个框架，在Android中，这里提供的是JIN。这样我们的UI可以不用改变，我们的的层的硬件或者驱动改变的时候，只要改变底层的C++的lib，也就是.so文件。这样封装，把软硬分开，把UI和实现分开。 JNI是一个很强大的框架，现在google希望通过它把所有的东东都容纳进来，注意Android只是一个框架，而不是一个OS。所以Linux具有多强的可移植性，我们的Android就由多大的可移植性，另外，由于Java强大的平台无关性，两个相结合，就会是整个操作系统变得很强大。下面介绍高焕堂的PPT。 23：JNI與Android VM之關係 ---- 本文摘錄自高煥堂老師的Android課程講議 1. 從如何載入*.so檔案談起由於 Android 的應用層級類別都是以 Java 撰寫的，這些 Java 類別轉譯為 Dex 型式的 Bytecode 之後，必須仰賴 Dalvik 虛擬機器 (VM: Virtual Machine) 23：JNI與Android VM之關係 ---- 本文摘錄自高煥堂老師的Android課程講議 1. 從如何載入*.so檔案談起由於Android的應用層級類別都是以Java撰寫的，這些Java類別轉譯為Dex型式的Bytecode之後，必須仰賴Dalvik虛擬機器(VM: Virtual Machine)來執行之。VM在Android平台裡，扮演很重要的角色。此外，在執行Java類別的過程中，如果Java類別需要與C組件溝通時，VM就會去載入C組件，然後讓Java的函數順利地呼叫到C組件的函數。此時，VM扮演著橋樑的角色，讓Java與C組件能透過標準的JNI介面而相互溝通。應用層級的Java類別是在虛擬機器(VM: Vitual Machine)上執行的，而C組件不是在VM上執行，那麼Java程式又如何要求VM去載入(Load)所指定的C組件呢? 可使用下述指令： System.loadLibrary(*.so的檔名); 例如，在上一節的範例裡的NativeJniAdder類別，其程式碼：看看 Android框架裡所提供的MediaPlayer.java類別，內含指令： public class MediaPlayer{ static { System.loadLibrary("media_jni"); } …….. } 這要求VM去載入Android的/system/lib/libmedia_jni.so檔案。載入*.so檔之後，Java類別與*.so檔就匯合起來，一起執行了。 2. 如何撰寫*.so的入口函數 ---- JNI_OnLoad()與JNI_OnUnload()函數之用途當VM執行到System.loadLibrary()函數時，首先會去執行C組件裡的JNI_OnLoad()函數。它的用途有二： 1. 告訴VM此C組件使用那一個JNI版本。如果你的*.so檔沒有提供JNI_OnLoad()函數，VM會默認該*.so檔是使用最老的JNI 1.1版本。由於新版的JNI做了許多擴充，如果需要使用JNI的新版功能，例如JNI 1.4的 java.nio.ByteBuffer, 就必須藉由JNI_OnLoad()函數來告知VM。 2. 由於VM執行到System.loadLibrary()函數時，就會立即先呼叫JNI_OnLoad()，所以C組件的開發者可以藉由JNI_OnLoad()來進行C組件內的初期值之設定(Initialization)。例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so檔案裡，就提供了JNI_OnLoad()函數，其程式碼片段為： //#define LOG_NDEBUG 0 #define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI" ……… jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) { JNIEnv* env = NULL; jint result = -1; if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) { LOGE("ERROR: GetEnv failed/n"); goto bail; } assert(env != NULL); if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) { LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n"); goto bail; } if (register_android_media_MediaRecorder(env) < 0) { LOGE("ERROR: MediaRecorder native registration failed/n"); goto bail; } if (register_android_media_MediaScanner(env) < 0) { LOGE("ERROR: MediaScanner native registration failed/n"); goto bail; } if (register_android_media_MediaMetadataRetriever(env) < 0) { LOGE("ERROR: MediaMetadataRetriever native registration failed/n"); goto bail; } /* success -- return valid version number */ result = JNI_VERSION_1_4; bail: return result; } // KTHXBYE 此函數回傳JNI_VERSION_1_4值給VM，於是VM知道了其所使用的JNI版本了。此外，它也做了一些初期的動作(可呼叫任何本地函數)，例如指令： if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) { LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n"); goto bail; } 就將此組件提供的各個本地函數(Native Function)登記到VM裡，以便能加快後續呼叫本地函數之效率。 JNI_OnUnload()函數與JNI_OnLoad()相對應的。在載入C組件時會立即呼叫JNI_OnLoad()來進行組件內的初期動作；而當VM釋放該C組件時，則會呼叫JNI_OnUnload()函數來進行善後清除動作。當VM呼叫JNI_OnLoad()或JNI_Unload()函數時，都會將VM的指標(Pointer)傳遞給它們，其參數如下： jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) { ……… } jint JNI_OnUnload(JavaVM* vm, void* reserved){ ……… } 在JNI_OnLoad()函數裡，就透過VM之指標而取得JNIEnv之指標值，並存入env指標變數裡，如下述指令： jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){ JNIEnv* env = NULL; jint result = -1; if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) { LOGE("ERROR: GetEnv failed/n"); goto bail; } } 由於VM通常是多執行緒(Multi-threading)的執行環境。每一個執行緒在呼叫JNI_OnLoad()時，所傳遞進來的JNIEnv指標值都是不同的。為了配合這種多執行緒的環境，C組件開發者在撰寫本地函數時，可藉由JNIEnv指標值之不同而避免執行緒的資料衝突問題，才能確保所寫的本地函數能安全地在Android的多執行緒VM 裡安全地執行。基於這個理由，當在呼叫C組件的函數時，都會將JNIEnv指標值傳遞給它，如下： jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) { JNIEnv* env = NULL; ………. if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) { ………. } } 這JNI_OnLoad()呼叫register_android_media_MediaPlayer(env)函數時，就將env指標值傳遞過去。如此，在register_android_media_MediaPlayer()函數就能藉由該指標值而區別不同的執行緒，以便化解資料衝突的問題。例如，在register_android_media_MediaPlayer()函數裡，可撰寫下述指令： if ((*env)->MonitorEnter(env, obj) != JNI_OK) { ………. } 查看是否已經有其他執行緒進入此物件，如果沒有，此執行緒就進入該物件裡執行了。還有，也可撰寫下述指令： if ((*env)->MonitorExit(env, obj) != JNI_OK) { ……… } 查看是否此執行緒正在此物件內執行，如果是，此執行緒就會立即離開。 3. registerNativeMethods()函數之用途應用層級的Java類別透過VM而呼叫到本地函數。一般是仰賴VM去尋找*.so裡的本地函數。如果需要連續呼叫很多次，每次都需要尋找一遍，會多花許多時間。此時，組件開發者可以自行將本地函數向VM進行登記。例如，在Android的/system/lib/libmedia_jni.so檔案裡的程式碼片段如下： //#define LOG_NDEBUG 0 #define LOG_TAG "MediaPlayer-JNI" ……… static JNINativeMethod gMethods[] = { {"setDataSource", "(Ljava/lang/String;)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setDataSource}, {"setDataSource", "(Ljava/io/FileDescriptor;JJ)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setDataSourceFD}, {"prepare", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_prepare}, {"prepareAsync", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_prepareAsync}, {"_start", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_start}, {"_stop", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_stop}, {"getVideoWidth", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getVideoWidth}, {"getVideoHeight", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getVideoHeight}, {"seekTo", "(I)V", (void *)android_media_MediaPlayer_seekTo}, {"_pause", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_pause}, {"isPlaying", "()Z", (void *)android_media_MediaPlayer_isPlaying}, {"getCurrentPosition", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getCurrentPosition}, {"getDuration", "()I", (void *)android_media_MediaPlayer_getDuration}, {"_release", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_release}, {"_reset", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_reset}, {"setAudioStreamType", "(I)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setAudioStreamType}, {"setLooping", "(Z)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setLooping}, {"setVolume", "(FF)V", (void *)android_media_MediaPlayer_setVolume}, {"getFrameAt", "(I)Landroid/graphics/Bitmap;", (void *)android_media_MediaPlayer_getFrameAt}, {"native_setup", "(Ljava/lang/Object;)V", (void *)android_media_MediaPlayer_native_setup}, {"native_finalize", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_native_finalize}, }; ……… static int register_android_media_MediaPlayer(JNIEnv *env){ ……… return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env, "android/media/MediaPlayer", gMethods, NELEM(gMethods)); } ………. // jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved){ ……… if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) { LOGE("ERROR: MediaPlayer native registration failed/n"); goto bail; } ………. } 當VM載入libmedia_jni.so檔案時，就呼叫JNI_OnLoad()函數。接著，JNI_OnLoad()呼叫register_android_media_MediaPlayer()函數。此時，就呼叫到AndroidRuntime::registerNativeMethods()函數，向VM(即AndroidRuntime)登記gMethods[]表格所含的本地函數了。簡而言之，registerNativeMethods()函數的用途有二： 1. 更有效率去找到函數。 2. 可在執行期間進行抽換。由於gMethods[]是一個<名稱，函數指標>對照表，在程式執行時，可多次呼叫registerNativeMethods()函數來更換本地函數之指標，而達到彈性抽換本地函數之目的。 ---- END ----

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