JNI簡介

Java Native Interface（JNI）是Java提供的一個很重要的特性。它使得用諸如C/C++等語言編寫的代碼可以與運行于Java虛擬機（JVM）中的Java代碼集成。有些時候，Java并不能滿足你的全部開發需求，比如你希望提高某些關鍵模塊的效率，或者你必須使用某個以C/C++等Native語言編寫的程序庫；此時，JNI就能滿足你在Java代碼中訪問這些Native模塊的需求。JNI的出現使得開發者既可以利用Java語言跨平臺、類庫豐富、開發便捷等特點，又可以利用Native語言的高效。

實際上，JNI是JVM實現中的一部分，因此Native語言和Java代碼都運行在JVM的宿主環境（Host Environment），正如圖1所示。此外，JNI是一個雙向的接口：開發者不僅可以通過JNI在Java代碼中訪問Native模塊，還可以在Native代碼中嵌入一個JVM，并通過JNI訪問運行于其中的Java模塊。可見，JNI擔任了一個橋梁的角色，它將JVM與Native模塊聯系起來，從而實現了Java代碼與Native代碼的互訪。在OPhone上使用Java虛擬機是為嵌入式設備特別優化的Dalvik虛擬機。每啟動一個應用，系統會建立一個新的進程運行一個Dalvik虛擬機，因此各應用實際上是運行在各自的VM中的。Dalvik VM對JNI的規范支持的較全面，對于從JDK 1.2到JDK 1.6補充的增強功能也基本都能支持。

開發者在使用JNI之前需要充分了解其優缺點，以便合理選擇技術方案實現目標。JNI的優點前面已經講過，這里不再重復，其缺點也是顯而易見的：由于Native模塊的使用，Java代碼會喪失其原有的跨平臺性和類型安全等特性。此外，在JNI應用中，Java代碼與Native代碼運行于同一個進程空間內；對于跨進程甚至跨宿主環境的Java與Native間通信的需求，可以考慮采用socket、Web Service等IPC通信機制來實現。

在OPhone開發中使用JNI

正如我們在上一節所述，JNI是一個雙向的接口，所以交互的類型可以分為在Java代碼中調用Native模塊和在Native代碼中調用Java模塊兩種。下面，我們就使用一個Hello-JNI的示例來分別對這兩種交互方式的開發要點加以說明。

Java調用Native模塊

Hello-JNI這個示例的結構很簡單：首先我們使用Eclipse新建一個OPhone應用的Java工程，并添加一個com.example.hellojni.HelloJni的類。這個類實際上是一個Activity，稍后我們會創建一個TextView，并顯示一些文字在上面。

要在Java代碼中使用Native模塊，必須先對Native函數進行聲明。在我們的例子中，打開HelloJni.java文件，可以看到如下的聲明：#p#

/* A native method that is implemented by the    
   * 'hello-jni' native library, which is packaged    
   * with this application.    
   */    
  public native String  stringFromJNI();    

從上述聲明中我們可以知道，這個stringFromJNI()函數就是要在Java代碼中調用的Native函數。接下來我們要創建一個hello-jni.c的C文件，內容很簡單，只有如下一個函數：

#include <string.h>     
#include <jni.h>     
jstring     
Java_com_example_hellojni_HelloJni_stringFromJNI( JNIEnv* env,     
                                                 jobject thiz ) {     
        return (*env)->NewStringUTF(env, "Hello from JNI !");     
}    

從函數名可以看出，這個Native函數對應的正是我們在com.example.hellojni.HelloJni這個中聲明的Native函數String stringFromJNI()的具體實現。

從上面Native函數的命名上我們可以了解到JNI函數的命名規則： Java代碼中的函數聲明需要添加native關鍵字；Native的對應函數名要以“Java_”開頭，后面依次跟上Java的“package名”、“class名”、“函數名”，中間以下劃線“_”分割，在package名中的“.”也要改為“_”。此外，關于函數的參數和返回值也有相應的規則。對于Java中的基本類型如int、double、char等，在Native端都有相對應的類型來表示，如jint、jdouble、jchar等；其他的對象類型則統統由jobject來表示（String是個例外，由于其使用廣泛，故在Native代碼中有jstring這個類型來表示，正如在上例中返回值String對應到Native代碼中的返回值jstring）。而對于Java中的數組，在Native中由jarray對應，具體到基本類型和一般對象類型的數組則有jintArray等和jobjectArray分別對應（String數組在這里沒有例外，同樣用jobjectArray表示）。還有一點需要注意的是，在JNI的Native函數中，其前兩個參數JNIEnv*和jobject是必需的——前者是一個JNIEnv結構體的指針，這個結構體中定義了很多JNI的接口函數指針，使開發者可以使用JNI所定義的接口功能；后者指代的是調用這個JNI函數的Java對象，有點類似于C++中的this指針。在上述兩個參數之后，還需要根據Java端的函數聲明依次對應添加參數。在上例中，Java中聲明的JNI函數沒有參數，則Native的對應函數只有類型為JNIEnv*和jobject的兩個參數。

當然，要使用JNI函數，還需要先加載Native代碼編譯出來的動態庫文件（在Windows上是.dll，在Linux上則為.so）。這個動作是通過如下語句完成的：

static {     
    System.loadLibrary("hello-jni");     
}  

注意這里調用的共享庫名遵循Linux對庫文件的命名慣例，因為OPhone的核心實際上是Linux系統——上例中，實際加載的庫文件應為“libhello-jni.so”，在引用時遵循命名慣例，不帶“lib”前綴和“.so”的擴展名。對于沒有按照上述慣例命名的Native庫，在加載時仍需要寫成完整的文件名。

JNI函數的使用方法和普通Java函數一樣。在本例中，調用代碼如下：

TextView tv = new TextView(this);     
tv.setText( stringFromJNI() );     
setContentView(tv);    

就可以在TextView中顯示出來自于Native函數的字符串。怎么樣，是不是很簡單呢？

Native調用Java模塊

從OPhone的系統架構來看，JVM和Native系統庫位于內核之上，構成OPhone Runtime；更多的系統功能則是通過在其上的Application Framework以Java API的形式提供的。因此，如果希望在Native庫中調用某些系統功能，就需要通過JNI來訪問Application Framework提供的API。#p#

JNI規范定義了一系列在Native代碼中訪問Java對象及其成員與方法的API。下面我們還是通過示例來具體講解。首先，新建一個SayHello的類，代碼如下：

package com.example.hellojni;     
public class SayHello {     
        public String sayHelloFromJava(String nativeMsg) {     
               String str = nativeMsg + " But shown in Java!";     
               return str;     
        }     
}    

接下來要實現的就是在Native代碼中調用這個SayHello類中的sayHelloFromJava方法。

一般來說，要在Native代碼中訪問Java對象，有如下幾個步驟：

1. 得到該Java對象的類定義。JNI定義了jclass這個類型來表示Java的類的定義，并提供了FindClass接口，根據類的完整的包路徑即可得到其jclass。

2. 根據jclass創建相應的對象實體，即jobject。在Java中，創建一個新對象只需要使用new關鍵字即可，但在Native代碼中創建一個對象則需要兩步：首先通過JNI接口GetMethodID得到該類的構造函數，然后利用NewObject接口構造出該類的一個實例對象。

3. 訪問jobject中的成員變量或方法。訪問對象的方法是先得到方法的Method ID，然后使用CallMethod接口調用，這里Type對應相應方法的返回值——返回值為基本類型的都有相對應的接口，如CallIntMethod；其他的返回值（包括String）則為CallObjectMethod。可以看出，創建對象實質上是調用對象的一個特殊方法，即構造函數。訪問成員變量的步驟一樣：首先GetFieldID得到成員變量的ID，然后Get/SetField讀/寫變量值。

上面概要介紹了從Native代碼中訪問Java對象的過程，下面我們結合示例來具體看一下。如下是調用sayHelloFromJava方法的Native代碼：

jstring helloFromJava( JNIEnv* env ) {     
       jstring str = NULL;     
       jclass clz = (*env)->FindClass(env, "com/example/hellojni/SayHello");     
       jmethodID ctor = (*env)->GetMethodID(env, clz, "<init>", "()V");     
       jobject obj = (*env)->NewObject(env, clz, ctor);     
       jmethodID mid = (*env)->GetMethodID(env, clz, "sayHelloFromJava", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;");     
       if (mid) {     
              jstring jmsg = (*env)->NewStringUTF(env, "I'm born in native.");     
              str = (*env)->CallObjectMethod(env, obj, mid, jmsg);     
       }     
       return str;     
}    

可以看到，上述代碼和前面講到的步驟完全相符。這里提一下編程時要注意的要點：1、FindClass要寫明Java類的完整包路徑，并將“.”以“/”替換；2、GetMethodID的第三個參數是方法名（對于構造函數一律用“”表示），第四個參數是方法的“簽名”，需要用一個字符串序列表示方法的參數（依聲明順序）和返回值信息。由于篇幅所限，這里不再具體說明如何根據方法的聲明構造相應的“簽名”，請參考JNI的相關文檔。

關于上面談到的步驟再補充說明一下：在JNI規范中，如上這種使用NewObject創建的對象實例被稱為“Local Reference”，它僅在創建它的Native代碼作用域內有效，因此應避免在作用域外使用該實例及任何指向它的指針。如果希望創建的對象實例在作用域外也能使用，則需要使用NewGlobalRef接口將其提升為“Global Reference”——需要注意的是，當Global Reference不再使用后，需要顯式的釋放，以便通知JVM進行垃圾收集。

Native模塊的編譯與發布

通過前面的介紹，我們已經大致了解了在OPhone的應用開發中使用JNI的方法。那么，開發者如何編譯出能在OPhone上使用的Native模塊呢？編譯出的Native模塊又如何像APK文件那樣分發、安裝呢？

Google于2009年6月底發布了Android NDK的***個版本，為廣大開發者提供了編譯用于Android應用的Native模塊的能力，以及將Native模塊隨Java應用打包為APK文件，以便分發和安裝的整套解決方案。NDK的全稱是Native Development Toolkit，即原生應用開發包。由于OPhone平臺也基于Android，因此使用Android NDK編譯的原生應用或組件完全可以用于OPhone。需要注意的是，Google聲稱此次發布的NDK僅兼容于Android 1.5及以后的版本，由于OPhone 1.0平臺基于Android 1.5之前的版本，雖然不排除使用該NDK開發的原生應用或組件在OPhone 1.0平臺上正常運行的可能性，但建議開發者僅在OPhone 1.5及以上的平臺使用。#p#

***版本的NDK可以在http://developer.android.com/sdk/ndk/index.html下載。NDK提供了適用于Windows、Linux和MAC OS X的版本，開發者可以根據自己的操作系統下載相應的版本。本文僅使用基于Linux的NDK版本做介紹和演示。

NDK的安裝很簡單：解壓到某個路徑下即可，之后可以看到若干目錄。其中docs目錄中包含了比較詳細的文檔，可供開發者參考，在NDK根目錄下的README.TXT也對個別重要文檔進行了介紹；build目錄則包含了用于Android設備的交叉編譯器和相關工具，以及一組系統頭文件和系統庫，其中包括libc、libm、libz、liblog（用于Android設備log輸出）、JNI接口及一個C++標準庫的子集（所謂“子集”是指Android對C++支持有限，如不支持Exception及STL等）；apps目錄是用于應用開發的目錄，out目錄則用于編譯中間結果的存儲。接下來，我們就用前面的例子簡單講解一下NDK的使用。

進入/apps目錄，我們可以看到一些示例應用，以hello-jni為例：在hello-jni目錄中有一個Application.mk文件和一個project文件夾，project文件夾中則是一個OPhone Java應用所有的工程文件，其中jni目錄就是Native代碼放置的位置。這里Application.mk主要用于告訴編譯器應用所需要用到的Native模塊有什么，對于一般開發在示例提供的文件的基礎上進行修改即可；如果需要了解更多，可參考/docs/APPLICATION-MK.txt。接下來，我們將示例文件與代碼如圖2放置到相應的位置：

可以看到，和Java應用一樣，Native模塊也需要使用Android.mk文件設置編譯選項和參數，但內容有較大不同。對于Native模塊而言，一般需要了解如下幾類標簽：

1.LOCAL_MODULE：定義了在整個編譯環境中的各個模塊，其名字應當是唯一的。此外，這里設置的模塊名稱還將作為編譯出來的文件名：對于原生可執行文件，文件名即為模塊名稱；對于靜態/動態庫文件，文件名為lib+模塊名稱。例如hello-jni的模塊名稱為“hello-jni”，則編譯出來的動態庫就是libhello-jni.so。

2.LOCAL_SRC_FILES：這里要列出所有需要編譯的C/C++源文件，以空格或制表符分隔；如需換行，可放置“\”符號在行尾，這和GNU Makefile的規則是一致的。

3.LOCAL_CFLAGS：定義gcc編譯時的CFLAGS參數，與GNU Makefile的規則一致。比如，用-I參數可指定編譯所需引用的某個路徑下的頭文件。

4.LOCAL_C_INCLUDES：指定自定義的頭文件路徑。

5.LOCAL_SHARED_LIBRARIES：定義鏈接時所需要的共享庫文件。這里要鏈接的共享庫并不限于NDK編譯環境中定義的所有模塊。如果需要引用其他的庫文件，也可在此處指定。

6.LOCAL_STATIC_LIBRARIES：和上個標簽類似，指定需要鏈接的靜態庫文件。需要注意的是這個選項只有在編譯動態庫的時候才有意義。

7.LOCAL_LDLIBS：定義鏈接時需要引入的系統庫。使用時需要加-l前綴，例如-lz指的是在加載時鏈接libz這個系統庫。libc、libm和libstdc++是編譯系統默認會鏈接的，無需在此標簽中指定。

欲了解更多關于標簽類型及各類標簽的信息，可參考/docs/ANDROID-MK.txt文件，其中詳細描述了Android.mk中各個標簽的含義與用法。如下給出的就是我們的示例所用的Android.mk：

LOCAL_PATH := $(call my-dir)     
include $(CLEAR_VARS)     
LOCAL_MODULE    :=  hello-jni     
LOCAL_C_INCLUDES :=  $(LOCAL_PATH)/include     
LOCAL_SRC_FILES   :=  src/call_java.c \     
                                          src/hello-jni.c      
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)   

寫好了代碼和Makefile，接下來就是編譯了。使用NDK進行編譯也很簡單：首先從命令行進入目錄，執行./build/host-setup.sh，當打印出“Host setup complete.”的文字時，編譯環境的設置就完成了。這里開發者需要注意的是，如果使用的Linux發行版是Debian或者Ubuntu，需要通過在目錄下執行bash build/host-setup.sh，因為上述兩個發行版使用的dash shell與腳本有兼容問題。接下來，輸入make APP=hello-jni，稍等片刻即完成編譯，如圖3所示。從圖中可以看到，在編譯完成后，NDK會自動將編譯出來的共享庫拷貝到Java工程的libs/armeabi目錄下。當編譯Java工程的時候，相應的共享庫會被一同打包到apk文件中。在應用安裝時，被打包在libs/armeabi目錄中的共享庫會被自動拷貝到/data/data/com.example.HelloJni/lib/目錄；當System.loadLibrary被調用時，系統就可以在上述目錄尋找到所需的庫文件libhello-jni.so。如果實際的Java工程不在這里，也可以手動在Java工程下創建libs/armeabi目錄，并將編譯出來的so庫文件拷貝過去。

***，將Java工程連帶庫文件一同編譯并在OPhone模擬器中運行，結果如圖4所示。

通過上面的介紹，你應該已經對OPhone上的Native開發有了初步了解，或許也已經躍躍欲試了。事實上，盡管Native開發在OPhone上不具有Java語言的類型安全、兼容性好、易于調試等特性，也無法直接享受平臺提供的豐富的API，但JNI還是為我們提供了更多的選擇，使我們可以利用原生應用的優勢來做對性能要求高的操作，也可以利用或移植C/C++領域現有的眾多功能強大的類庫或應用，為開發者提供了充分的施展空間。這就是OPhone的魅力！

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