引言：分析Android源码6.0的过程，一定离不开Java与C/C++代码直接的来回跳转，那么就很有必要掌握JNI，这是链接Java层和Native层的桥梁，本文涉及相关源码：
frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp libcore/luni/src/main/java/java/lang/System.java libcore/luni/src/main/java/java/lang/Runtime.java libnativehelper/JNIHelp.cpp libnativehelper/include/nativehelper/jni.h frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp frameworks/base/media/java/android/media/MediaPlayer.java frameworks/base/media/jni/android_media_MediaPlayer.cpp
一、JNI概述
JNI（Java Native Interface，Java本地接口），用于打通Java层与Native(C/C++)层。这不是Android系统所独有的，而是Java所有。众所周知，Java语言是跨平台的语言，而这跨平台的背后都是依靠Java虚拟机，虚拟机采用C/C++编写，适配各个系统，通过JNI为上层Java提供各种服务，保证跨平台性。
相信不少经常使用Java的程序员，享受着其跨平台性，可能全然不知JNI的存在。在Android平台，让JNI大放异彩，为更多的程序员所熟知，往往为了提供效率或者其他功能需求，就需要NDK开发。上一篇文章Linux系统调用(syscall)原理，介绍了打通android上层与底层kernel的枢纽syscall，那么本文的目的则是介绍打通android上层中Java层与Native的纽带JNI。
二、JNI查找方式
Android系统在启动启动过程中，先启动Kernel创建init进程，紧接着由init进程fork第一个横穿Java和C/C++的进程，即Zygote进程。Zygote启动过程中会 AndroidRuntime.cpp 中的 startVm 创建虚拟机，VM创建完成后，紧接着调用 startReg 完成虚拟机中的JNI方法注册。
2.1 startReg
[–>AndroidRuntime.cpp]
int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
//设置线程创建方法为javaCreateThreadEtc
androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
env->PushLocalFrame(200);
//进程JNI方法的注册
if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
env->PopLocalFrame(NULL);
return -1;
}
env->PopLocalFrame(NULL);
return 0;
}
register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env)这行代码的作用就是就是循环调用 gRegJNI 数组成员所对应的方法。
static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)
{
for (size_t i = 0; i < count; i++) {
if (array[i].mProc(env) < 0) {
return -1;
}
}
return 0;
}
gRegJNI 数组，有100多个成员变量，定义在 AndroidRuntime.cpp ：
static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
REG_JNI(register_android_os_MessageQueue),
REG_JNI(register_android_os_Binder),
...
};
该数组的每个成员都代表一个类文件的jni映射，其中REG_JNI是一个宏定义，在Zygote中介绍过，该宏的作用就是调用相应的方法。
2.2 如何查找native方法
当大家在看framework层代码时，经常会看到native方法，这是往往需要查看所对应的C++方法在哪个文件，对应哪个方法？下面从一个实例出发带大家如何查看java层方法所对应的native方法位置。
2.2.1 实例(一)当分析Android消息机制源码，遇到 MessageQueue.java 中有多个native方法，比如：
package android.os;
public final class MessageQueue {
private native void nativePollOnce(long ptr, int timeoutMillis);
}
步骤1： MessageQueue.java 的全限定名为android.os.MessageQueue.java，完整的方法名为android.os.MessageQueue.nativePollOnce()，与之相对应的native层方法名是将点号替换为下划线，即android_os_MessageQueue_nativePollOnce()。
步骤2： 有了native方法，那么接下来需要知道该native方法所在那个文件。前面已经介绍过Android系统启动时就已经注册了大量的JNI方法，见AndroidRuntime.cpp的 gRegJNI 数组。这些注册方法命令方式：
那么MessageQueue.java所定义的jni注册方法名应该是 register_android_os_MessageQueue ，的确存在于gRegJNI数组，说明这次JNI注册过程是在开机过程完成。该方法在 AndroidRuntime.cpp 申明为extern方法：
extern int register_android_os_MessageQueue(JNIEnv* env);
这些extern方法绝大多数位于 /framework/base/core/jni/ 目录，大多数情况下native文件命名方式：
[包名]_[类名].cpp [包名]_[类名].h
Tips： /android/os路径下的MessageQueue.java ==> android_os_MessageQueue.cpp
打开 android_os_MessageQueue.cpp 文件，搜索android_os_MessageQueue_nativePollOnce方法，这便找到了目标方法：
static void android_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,
jlong ptr, jint timeoutMillis) {
NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);
nativeMessageQueue->pollOnce(env, obj, timeoutMillis);
}
到这里完成了一次从Java层方法搜索到所对应的C++方法的过程。
2.2.2 实例(二)对于native文件命名方式，有时并非 [包名]_[类名].cpp ，比如/android/os路径下的Binder.java 所对应的native文件：android_util_Binder.cpp
package android.os;
public class Binder implements IBinder {
public static final native int getCallingPid();
}
根据实例(一)方式，找到getCallingPid ==> android_os_Binder_getCallingPid()，并且在AndroidRuntime.cpp中的gRegJNI数组中找到 register_android_os_Binder 。
按实例(一)方式则native文名应该为android_os_Binder.cpp，可是在 /framework/base/core/jni/ 目录下找不到该文件，这是例外的情况。其实真正的文件名为 android_util_Binder.cpp ，这就是例外，这一点有些费劲，不明白为何google要如此打破规律的命名。
static jint android_os_Binder_getCallingPid(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
return IPCThreadState::self()->getCallingPid();
}
有人可能好奇，既然如何遇到打破常规的文件命令，怎么办？这个并不难，首先，可以尝试在 /framework/base/core/jni/ 中搜索，对于binder.java，可以直接搜索binder关键字，其他也类似。如果这里也找不到，可以通过grep全局搜索 android_os_Binder_getCallingPid 这个方法在哪个文件。
jni存在的常见目录：
/framework/base/core/jni/ /framework/base/services/core/jni/ /framework/base/media/jni/ 2.2.3 实例(三)前面两种都是在Android系统启动之初，便已经注册过JNI所对应的方法。那么如果程序自己定义的jni方法，该如何查看jni方法所在位置呢？下面以MediaPlayer.java为例，其包名为android.media：
public class MediaPlayer{
static {
System.loadLibrary("media_jni");
native_init();
}
private static native final void native_init();
...
}
通过static静态代码块中System.loadLibrary方法来加载动态库，库名为 media_jni , Android平台则会自动扩展成所对应的 libmedia_jni.so 库。接着通过关键字 native 加在native_init方法之前，便可以在java层直接使用native层方法。
接下来便要查看 libmedia_jni.so 库定义所在文件，一般都是通过 Android.mk 文件定义LOCAL_MODULE:= libmedia_jni，可以采用grep或者mgrep来搜索包含libmedia_jni字段的Android.mk所在路径。
搜索可知，libmedia_jni.so位于/frameworks/base/media/jni/Android.mk。用前面实例(一)中的知识来查看相应的文件和方法名分别为：
android_media_MediaPlayer.cpp android_media_MediaPlayer_native_init()
再然后，你会发现果然在该Android.mk所在目录 /frameworks/base/media/jni/ 中找到android_media_MediaPlayer.cpp文件，并在文件中存在相应的方法：
static void
android_media_MediaPlayer_native_init(JNIEnv *env)
{
jclass clazz;
clazz = env->FindClass("android/media/MediaPlayer");
fields.context = env->GetFieldID(clazz, "mNativeContext", "J");
...
}
Tips： MediaPlayer.java中的native_init方法所对应的native方法位于 /frameworks/base/media/jni/ 目录下的 android_media_MediaPlayer.cpp 文件中的 android_media_MediaPlayer_native_init 方法。
2.3 小结
JNI作为连接Java世界和C/C++世界的桥梁，很有必要掌握。看完本文，至少能掌握在分析Android源码过程中如何查找native方法。首先要明白native方法名和文件名的命名规律，其次要懂得该如何去搜索代码。
JNI注册的两种时机：
Android系统启动过程中Zygote注册，可通过查询AndroidRuntime.cpp中的gRegJNI，看看是否存在对应的register方法； 调用System.loadLibrary()方式注册。三、 JNI原理分析
再进一步来分析，Java层与Native层方法是如何注册并映射的，以MediaPlayer为例。文件MediaPlayer.java中调用System.loadLibrary(“media_jni”)，把libmedia_jni.so动态库加载到内存。以loadLibrary为起点展开JNI注册流程的过程分析。
3.1 loadLibrary
[System.java]
public static void loadLibrary(String libName) {
//调用Runtime方法
Runtime.getRuntime().loadLibrary(libName, VMStack.getCallingClassLoader());
}
[Runtime.java]
void loadLibrary(String libraryName, ClassLoader loader) {
if (loader != null) {
String filename = loader.findLibrary(libraryName);
//加载库【见小节3.2】
String error = doLoad(filename, loader);
if (error != null) {
throw new UnsatisfiedLinkError(error);
}
return;
}
//loader为空，则会进入该分支
String filename = System.mapLibraryName(libraryName);
List<String> candidates = new ArrayList<String>();
for (String directory : mLibPaths) {
String candidate = directory + filename;
candidates.add(candidate);
if (IoUtils.canOpenReadOnly(candidate)) {
//加载库【见小节3.2】
String error = doLoad(candidate, loader);
if (error == null) {
return; //加载成功
}
}
}
...
}
真正加载的工作是由doLoad()，更多详情见loadLibrary动态库加载过程分析。
3.2 doLoad
该方法内部增加同步锁，保证并发时一致性。
private String doLoad(String name, ClassLoader loader) {
...
synchronized (this) {
return nativeLoad(name, loader, ldLibraryPath);
}
}
nativeLoad()这是一个native方法，再进入ART虚拟机的java_lang_Runtime.cc，最终的核心功能工作：
调用 dlopen 函数，打开一个so文件并创建一个handle； 调用 dlsym() 函数，查看相应so文件的 JNI_OnLoad() 函数指针，并执行相应函数。总之，System.loadLibrary()的作用就是调用相应库中的JNI_OnLoad()方法。接下来说说JNI_OnLoad()过程。
3.2 JNI_OnLoad
[-> android_media_MediaPlayer.cpp]
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
JNIEnv* env = NULL;
//【见3.3】 注册JNI方法
if (register_android_media_MediaPlayer(env) < 0) {
goto bail;
}
...
}
3.3 register_android_media_MediaPlayer
[-> android_media_MediaPlayer.cpp]
static int register_android_media_MediaPlayer(JNIEnv *env)
{
//【见3.4】
return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
"android/media/MediaPlayer", gMethods, NELEM(gMethods));
}
其中 gMethods ，记录java层和C/C++层方法的一一映射关系。
static JNINativeMethod gMethods[] = {
{"prepare", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_prepare},
{"_start", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_start},
{"_stop", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_stop},
{"seekTo", "(I)V", (void *)android_media_MediaPlayer_seekTo},
{"_release", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_release},
{"native_init", "()V", (void *)android_media_MediaPlayer_native_init},
...
};
这里涉及到结构体 JNINativeMethod ，其定义在 jni.h 文件：
typedef struct {
const char* name; //Java层native函数名
const char* signature; //Java函数签名，记录参数类型和个数，以及返回值类型
void* fnPtr; //Native层对应的函数指针
} JNINativeMethod;
关于函数签名 signature 在下一小节展开说明。
3.4 registerNativeMethods
[-> AndroidRuntime.cpp]
int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv* env,
const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
//【见3.5】
return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}
jniRegisterNativeMethods该方法是由Android JNI帮助类 JNIHelp.cpp 来完成。
3.5 jniRegisterNativeMethods
[-> JNIHelp.cpp]
extern "C" int jniRegisterNativeMethods(C_JNIEnv* env, const char* className,
const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
JNIEnv* e = reinterpret_cast<JNIEnv*>(env);
scoped_local_ref<jclass> c(env, findClass(env, className));
if (c.get() == NULL) {
e->FatalError("");//无法查找native注册方法
}
//【见3.6】 调用JNIEnv结构体的成员变量
if ((*env)->RegisterNatives(e, c.get(), gMethods, numMethods) < 0) {
e->FatalError("");//native方法注册失败
}
return 0;
}
3.6 RegisterNatives
[-> jni.h]
struct _JNIEnv {
const struct JNINativeInterface* functions;
jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods,
jint nMethods)
{ return functions->RegisterNatives(this, clazz, methods, nMethods); }
...
}
functions是指向 JNINativeInterface 结构体指针，也就是将调用下面方法：
struct JNINativeInterface {
jint (*RegisterNatives)(JNIEnv*, jclass, const JNINativeMethod*,jint);
...
}
再往下深入就到了虚拟机内部吧，这里就不再往下深入了。总之，这个过程完成了 gMethods 数组中的方法的映射关系，比如java层的native_init()方法，映射到native层的android_media_MediaPlayer_native_init()方法。
虚拟机相关的变量中有两个非常重要的量JavaVM和JNIEnv:
JavaVM ：是指进程虚拟机环境，每个进程有且只有一个JavaVM实例 JNIEnv ：是指线程上下文环境，每个线程有且只有一个JNIEnv实例，四、JNI资源
JNINativeMethod结构体中有一个字段为signature(签名)，再介绍signature格式之前需要掌握各种数据类型在Java层、Native层以及签名所采用的签名格式。
4.1 数据签名
4.1.1 基本数据类型 Signature格式 Java Native B byte jbyte C char jchar D double jdouble F float jfloat I int jint S short jshort J long jlong Z boolean jboolean V void void 4.1.2 数组数据类型数组简称则是在前面添加 [ ：
Signature格式 Java Native [B byte[] jbyteArray [C char[] jcharArray [[D double[] jdoubleArray [F float[] jfloatArray [I int[] jintArray [S short[] jshortArray [J long[] jlongArray [Z boolean[] jbooleanArray 4.1.3 复杂数据类型对象类型简称： L+classname +;
Signature格式 Java Native Ljava/lang/String; String jstring L+classname +; 所有对象 jobject [L+classname +; Object[] jobjectArray Ljava.lang.Class; Class jclass Ljava.lang.Throwable; Throwable jthrowable 4.1.4 Signature有了前面的铺垫，那么再来通过实例说说函数签名： (输入参数...)返回值参数 ，这里用到的便是前面介绍的Signature格式。
Java函数 对应的签名 void foo() ()V float foo(int i) (I)F long foo(int[] i) ([I)J double foo(Class c) (Ljava/lang/Class;)D boolean foo(int[] i,String s) ([ILjava/lang/String;)Z String foo(int i) (I)Ljava/lang/String;4.2 其他
(一)垃圾回收 对于Java开发人员来说无需关系垃圾回收，完全由虚拟机GC来负责垃圾回收，而对于JNI开发人员，对于内存释放需要谨慎处理，需要的时候申请，使用完记得释放内容，以免发生内存泄露。在JNI提供了三种Reference类型，Local Reference(本地引用)， Global Reference（全局引用）， Weak Global Reference(全局弱引用)。其中Global Reference如果不主动释放，则一直不会释放；对于其他两个类型的引用都是释放的可能性，那是不是意味着不需要手动释放呢？答案是否定的，不管是这三种类型的那种引用，都尽可能在某个内存不再需要时，立即释放，这对系统更为安全可靠，以减少不可预知的性能与稳定性问题。
另外，ART虚拟机在GC算法有所优化，为了减少内存碎片化问题，在GC之后有可能会移动对象内存的位置，对于Java层程序并没有影响，但是对于JNI程序可要小心了，对于通过指针来直接访问内存对象是，Dalvik能正确运行的程序，ART下未必能正常运行。
(二)异常处理 Java层出现异常，虚拟机会直接抛出异常，这是需要try..catch或者继续往外throw。但是对于JNI出现异常时，即执行到JNIEnv中某个函数异常时，并不会立即抛出异常来中断程序的执行，还可以继续执行内存之类的清理工作，直到返回到Java层时才会抛出相应的异常。
另外， Dalvik 虚拟机有些情况下JNI函数出错可能返回NULL，但 ART 虚拟机在出错时更多的是抛出异常。这样导致的问题就可能是在Dalvik版本能正常运行的程序，在ART虚拟机上由于没有正确处理异常而崩溃。
总结
本文主要通过实例，在源码视角分析JNI原理，讲述JNI核心功能：
介绍如何查找JNI方法，明白如何从Java层跳转到Native层； 分析JNI函数注册流程，核心是通过JNIEnv的RegisterNatives()方法来完成注册； 列举Java与native以及函数签名方式。jni存在的常见目录：
/framework/base/core/jni/ /framework/base/services/core/jni/ /framework/base/media/jni/