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本文简要介绍了 JNI 调用规范，及常用函数。并通过具体示例程序展示了实现一个本地调用的基本步骤。
张翼翔 ：拥有8年的软件开发经验。曾经领导瑞星杀毒软件网络版和I'm上网管理系统的研发工作。现任北京华夏新视科技有限公司研发部经理
李庆明：从事软件开发已经有5年。有丰富的嵌入式Linux和Java开发经验。现任广东捷远资讯科技有限公司技术总监
引言Java 的出现给大家开发带来的极大的方便。但是，如果我们有大量原有的经过广泛测试的非 Java 代码，将它们全部用 Java
来重写，恐怕会带来巨大的工作量和长期的测试；如果我们的应用中需要访问到特定的设备，甚至是仅符合公司内部信息交互规范的设备，或某个特定的操作系统才有的特性，Java
就显得有些力不从心了。面对这些问题，Sun 公司在 JDK1.0 中就定义了 JNI 规范，它规定了 Java
应用程序对本地方法的调用规则。实现步骤及相关函数使用本文将一步步说明在 Linux 平台下如何实现本地共享库与 Java 协同工作。Hello World
程序是目前标准的入门第一步，那么，我也以类似的应用最为样例。第一步，定义一个 Java 类 -- Hello. 它提供 SayHello 方法：此时应注意两点：1. 为要使用的每个本地方法编写本地方法声明，其声明方式与普通 Java 方法接口没什么不同，只是必须指定 native 关键字，如下所示：
public native void SayHello(String strName);在这个函数中，我们将根据传进的人名，向某人问好。2. 必须显式地加载本地代码库。我们需在类的一个静态块中加载这个库： static
System.loadLibrary("hello");
}再加上必要的异常处理就生成如下源文件 Hello.java： public class Hello
// 此处即为本地方法所在链接库名
System.loadLibrary("hello");
catch(UnsatisfiedLinkError e)
System.err.println( "Cannot load hello library:\n " +
e.toString() );
public Hello()
// 声明的本地方法
public native void SayHello(String strName);
}编译后生成 Hello.class 文件。第二步，生成本地链接库。具体过程如下：1. 要为以上定义的类生成 Java 本地接口头文件，需使用 javah，Java 编译器的 javah 功能将根据 Hello
类生成必要的声明，此命令将生成 Hello.h 文件，我们在共享库的代码中要包含它，javah 不使默认内部命令，需要指明路径，它在 JDK 的
bin 目录下，在我的 Linux 环境下命令如下： /home/jbuilder/jdk1.3.1/bin/javah Hello 生成的 Hello.h 文件 内容如下所示： /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include &jni.h&
/* Header for class Hello */
#ifndef _Included_Hello
#define _Included_Hello
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
* Signature: (Ljava/lang/S)V
JNIEXPORT void JNICALL Java_Hello_SayHello
(JNIEnv *, jobject, jstring);
#ifdef __cplusplus
#endif2. 在与 Hello.h 相同的路径下创建一个 CPP 文件 Hello.cpp。内容如下： #include "Hello.h"
#include &stdio.h&
// 与 Hello.h 中函数声明相同
JNIEXPORT void JNICALL Java_Hello_SayHello
(JNIEnv * env, jobject arg, jstring instring)
// 从 instring 字符串取得指向字符串 UTF 编码的指针
const jbyte *str =
(const jbyte *)env-&GetStringUTFChars( instring, JNI_FALSE );
printf("Hello,%s\n",str);
// 通知虚拟机本地代码不再需要通过 str 访问 Java 字符串。
env-&ReleaseStringUTFChars( instring, (const char *)str );
}所有的 JNI 调用都使用了 JNIEnv * 类型的指针，习惯上在 CPP 文件中将这个变量定义为 evn，它是任意一个本地方法的第一个参数。env
指针指向一个函数指针表，在 VC 中可以直接用"-&"操作符访问其中的函数。jobject 指向在此 Java 代码中实例化的 Java 对象 LocalFunction 的一个句柄，相当于 this 指针。后续的参数就是本地调用中有 Java 程序传进的参数，本例中只有一个 String 型参数。 对于字符串型参数，因为在本地代码中不能直接读取 Java
字符串，而必须将其转换为 C /C++ 字符串或 Unicode。以下是三个我们经常会用到的字符串类型处理的函数：
const char* GetStringUTFChars(jstring string,jboolean* isCopy)返回指向字符串 UTF 编码的指针，如果不能创建这个字符数组，返回 null。这个指针在调用 ReleaseStringUTFChar()
函数之前一直有效。参数：string
Java 字符串对象
如果进行拷贝，指向以 JNI_TRUE 填充的 jboolean, 否则指向以 JNI_FALSE 填充的 jboolean。
void ReleaseStringUTFChars(jstring str, const char* chars)
通知虚拟机本地代码不再需要通过 chars 访问 Java 字符串。参数：string
Java 字符串对象
由 GetStringChars 返回的指针
jstring NewStringUTF(const char *utf)
返回一个新的 Java 字符串并将 utf 内容拷贝入新串，如果不能创建字符串对象，
返回 null。通常在反值类型为 string 型时用到。参数：utf
UTF 编码的字符串指针
对于数值型参数，在 C/C++ 中可直接使用，其字节宽度如下所示：JavaC/C++字节数booleanjboolean1bytejbyte1charjchar2shortjshort2intjint4longjlong8floatjfloat4doublejdouble8 对于数组型参数， JavaC/C++boolean[ ]JbooleanArraybyte[ ]JbyteArraychar[ ]JcharArrayshort[ ]JshortArrayint[ ]JintArraylong[ ]JlongArrayfloat[ ]JfloatArraydouble[ ]JdoubleArray 对于上述类型数组，有一组函数与其对应。以下函数中 Xxx 为对应类型。
GetXxxArrayElements(xxxArray array, jboolean *isCopy)
产生一个指向 Java
数组元素的 C 指针。不再需要时，需将此指针传给 ReleaseXxxArrayElemes。 参数：array
如果进行拷贝，指向以 JNI_TRUE 填充的 jboolean, 否则指向以 JNI_FALSE 填充的 jboolean。
例如： jboolean * GetBooleanArrayElements(jbooleanArray array, jboolean *isCopy)
void ReleaseXxxArrayElements(xxxArray array,xxx *elems, jint mode)
通知虚拟机不再需要从 GetXxxArrayElements 得到的指针。参数：array
不再需要的指向数组元素的指针
0 ＝在更新数组元素后释放 elems 缓冲器
JNI_COMMIT ＝在更新数组元素后不释放 elems 缓冲器
JNI_ABORT ＝不更新数组元素释放 elems 缓冲器
例如：void ReleaseBooleanArrayElements(jbooleanArray array,jboolean *elems,
jint mode)
xxxArray NewXxxArray(jsize len)
产生一个新的数组，通常在反值类型为数组型时用到参数：len
数组中元素的个数。
例如：jbooleanArray NewBooleanArray(jsize len)3 ．编译生成共享库。使用 GCC 时 , 必须通知编译器在何处查找此 Java
本地方法的支持文件，并且显式通知编译器生成位置无关的代码，在我的环境中按如下过程编译：gcc -I/home/jbuilder/jdk1.3.1/include
-I/home/jbuilder/jdk1.3.1/include/linux -fPIC -c Hello.c生成 Hello.o gcc -shared -Wl,-soname,libhello.so.1 -o libhello.so.1.0 Hello.o生成 libhello.so.1.0接下来将生成的共享库拷贝为标准文件名cp libhello.so.1.0 libhello.so最后通知动态链接程序此共享文件的路径。export LD_LIBRARY_PATH=`pwd`:$LD_LIBRARY_PATH4 ．编写一个简单的 Java 程序来测试我们的本地方法。将如下源码存为 ToSay.java： import H
import java.util.*;
public class ToSay
public static void main(String argv[])
ToSay say = new ToSay();
public ToSay()
Hello h = new Hello();
// 调用本地方法向 John 问好
h.SayHello("John");
}用 javac 编译 ToSay.java，生成 ToSay.class
向执行普通 Java 程序一样使用 java
ToSay，我们会看到在屏幕上出现 Hello,John。
到这里我们就将整个的本地调用编写过程大概浏览了一遍。 应用中注意事项1 ． 如果可以通过 TCP/IP 实现 Java 代码与本地 C/C++ 代码的交互工作，那么最好不使用以上提到的 JNI 的方式，因为一次 JNI
调用非常耗时，大概要花 0.5 ～ 1 个毫秒。2 ． 在一个 Applet 应用中，不要使用 JNI。因为在 applet 中可能引发安全异常。3 ． 将所有本地方法都封装在单个类中，这个类调用单个 DLL。对于每种目标操作系统，都可以用特定于适当平台的版本替换这个
DLL。这样就可以将本地代码的影响减至最小，并有助于将以后所需的移植问题包含在内。4 ． 本地方法要简单。尽量将生成的 DLL 对任何第三方运行时 DLL 的依赖减到最小。使本地方法尽量独立，以将加载 DLL
和应用程序所需的开销减到最小。如果必须要运行时 DLL，则应随应用程序一起提供它们。5 ． 本地代码运行时，没有有效地防数组越界错误、错误指针引用带来的间接错误等。所以必须保证保证本地代码的稳定性，因为，丝毫的错误都可能导致 Java
虚拟机崩溃。结束语JNI 调用规范给我们复用原有其它语言的代码提供了简单易用的接口，可以节省大量的财力，使我们可以在享受 Java
带来的开发速度的同时，不必放弃旧有资源。
Cay S.Horstmnn,Gary Cornell,Core Java 2
Volume II:Advanced Fearutes,Prentice Hall,2000.
Rob Gordon and Alan,Essential JNI, Java
Native Interface, Prentice Hall,1998 ：这里有数百篇关于 Java 编程各个方面的文章。 加入 ，查看开发人员推动的博客、论坛、组和维基，并与其他 developerWorks 用户交流。
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& & & & Android 4.4发布了一个ART运行时，准备用来替换掉之前一直使用的Dalvik虚拟机，希望籍此解决饱受诟病的性能问题。老罗不打算分析ART的实现原理，只是很有兴趣知道ART是如何无缝替换掉原来的Dalvik虚拟机的。毕竟在原来的系统中，大量的代码都是运行在Dalvik虚拟机里面的。开始觉得这个替换工作是挺复杂的，但是分析了相关代码之后，发现思路是很清晰的。本文就详细分析这个无缝的替换过程。
老罗的新浪微博：，欢迎关注！
& & & & 我们知道，Dalvik虚拟机实则也算是一个Java虚拟机，只不过它执行的不是class文件，而是dex文件。因此，ART运行时最理想的方式也是实现为一个Java虚拟机的形式，这样就可以很容易地将Dalvik虚拟机替换掉。注意，我们这里说实现为Java虚拟机的形式，实际上是指提供一套完全与Java虚拟机兼容的接口。例如，Dalvik虚拟机在接口上与Java虚拟机是一致的，但是它的内部可以是完全不一样的东西。
& & & & &实际上，ART运行时就是真的和Dalvik虚拟机一样，实现了一套完全兼容Java虚拟机的接口。为了方便描述，接下来我们就将ART运行时称为ART虚拟机，它和Dalvik虚拟机、Java虚拟机的关系如图1所示：
图1 Java虚拟机、Dalvik虚拟机和ART运行时的关系
& & & & 从图1可以知道，Dalvik虚拟机和ART虚拟机都实现了三个用来抽象Java虚拟机的接口：
& & & &1. JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs -- 获取虚拟机的默认初始化参数
& & & &2. JNI_CreateJavaVM -- 在进程中创建虚拟机实例
& & & &3. JNI_GetCreatedJavaVMs -- 获取进程中创建的虚拟机实例
& & & &在Android系统中，Davik虚拟机实现在libdvm.so中，ART虚拟机实现在libart.so中。也就是说，libdvm.so和libart.so导出了JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs、JNI_CreateJavaVM和JNI_GetCreatedJavaVMs这三个接口，供外界调用。
& & & &此外，Android系统还提供了一个系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib，它的值要么等于libdvm.so，要么等于libart.so。当等于libdvm.so时，就表示当前用的是Dalvik虚拟机，而当等于libart.so时，就表示当前用的是ART虚拟机。
& & & &以上描述的Dalvik虚拟机和ART虚拟机的共同之处，当然它们之间最显著还是不同之处。不同的地方就在于，Dalvik虚拟机执行的是dex字节码，ART虚拟机执行的是本地机器码。这意味着Dalvik虚拟机包含有一个解释器，用来执行dex字节码，具体可以参考这个系列的文章。当然，Android从2.2开始，也包含有JIT（Just-In-Time），用来在运行时动态地将执行频率很高的dex字节码翻译成本地机器码，然后再执行。通过JIT，就可以有效地提高Dalvik虚拟机的执行效率。但是，将dex字节码翻译成本地机器码是发生在应用程序的运行过程中的，并且应用程序每一次重新运行的时候，都要做重做这个翻译工作的。因此，即使用采用了JIT，Dalvik虚拟机的总体性能还是不能与直接执行本地机器码的ART虚拟机相比。
& & & & 那么，ART虚拟机执行的本地机器码是从哪里来的呢？Android的运行时从Dalvik虚拟机替换成ART虚拟机，并不要求开发者要将重新将自己的应用直接编译成目标机器码。也就是说，开发者开发出的应用程序经过编译和打包之后，仍然是一个包含dex字节码的APK文件。既然应用程序包含的仍然是dex字节码，而ART虚拟机需要的是本地机器码，这就必然要有一个翻译的过程。这个翻译的过程当然不能发生应用程序运行的时候，否则的话就和Dalvik虚拟机的JIT一样了。在计算机的世界里，与JIT相对的是AOT。AOT进Ahead-Of-Time的简称，它发生在程序运行之前。我们用静态语言（例如C/C++）来开发应用程序的时候，编译器直接就把它们翻译成目标机器码。这种静态语言的编译方式也是AOT的一种。但是前面我们提到，ART虚拟机并不要求开发者将自己的应用直接编译成目标机器码。这样，将应用的dex字节码翻译成本地机器码的最恰当AOT时机就发生在应用安装的时候。
& & & &我们知道，没有ART虚拟机之前，应用在安装的过程，其实也会执行一次“翻译”的过程。只不过这个“翻译”的过程是将dex字节码进行优化，也就是由dex文件生成odex文件。这个过程由安装服务PackageManagerService请求守护进程installd来执行的。从这个角度来说，在应用安装的过程中将dex字节码翻译成本地机器码对原来的应用安装流程基本上就不会产生什么影响。
& & & & 有了以上的背景知识之后，我们接下来就从两个角度来了解ART虚拟机是如何做到无缝替换Dalvik虚拟机的：
& & & & 1. ART虚拟机的启动过程；
& & & & 2. Dex字节码翻译成本地机器码的过程。
& & & & 我们知道，Android系统在启动的时候，会创建一个Zygote进程，充当应用程序进程孵化器。Zygote进程在启动的过程中，又会创建一个Dalvik虚拟机。Zygote进程是通过复制自己来创建新的应用程序进程的。这意味着Zygote进程会将自己的Dalvik虚拟机复制给应用程序进程。通过这种方式就可以大大地提高应用程序的启动速度，因为这种方式避免了每一个应用程序进程在启动的时候都要去创建一个Dalvik。事实上，Zygote进程通过自我复制的方式来创建应用程序进程，省去的不仅仅是应用程序进程创建Dalvik虚拟机的时间，还能省去应用程序进程加载各种系统库和系统资源的时间，因为它们在Zygote进程中已经加载过了，并且也会连同Dalvik虚拟机一起复制到应用程序进程中去。关于Zygote进程和应用程序进程启动的更多知识，可以参考和这两篇文章。
& & & & 即然应用程序进程里面的Dalvik虚拟机都是从Zygote进程中复制过来的，那么接下来我们就继续Zygote进程是如何创建Dalvik虚拟机的。从这篇文章可以知道，Zygote进程中的Dalvik虚拟机是从AndroidRutime::start这个函数开始创建的。因此，接下来我们就看看这个函数的实现：
& & & & &这个函数定义在文件frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp中。
& & & & &&AndroidRutime类的成员函数start最主要是做了以下三件事情：
& & & & & 1. 创建一个JniInvocation实例，并且调用它的成员函数init来初始化JNI环境；
& & & & & 2. 调用AndroidRutime类的成员函数startVm来创建一个虚拟机及其对应的JNI接口，即创建一个JavaVM接口和一个JNIEnv接口；
& & & & & 3. 有了上述的JavaVM接口和JNIEnv接口之后，就可以在Zygote进程中加载指定的class了。
& & & & & 其中，第1件事情和第2件事情又是最关键的。因此，接下来我们继续分析它们所对应的函数的实现。
& & & & &&JniInvocation类的成员函数init的实现如下所示：
& & & & 这个函数定义在文件libnativehelper/JniInvocation.cpp中。
& & & & JniInvocation类的成员函数init所做的事情很简单。它首先是读取系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib的值。前面提到，系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib的值要么等于libdvm.so，要么等于libart.so。因此，接下来通过函数dlopen加载到进程来的要么是libdvm.so，要么是libart.so。无论加载的是哪一个so，都要求它导出JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs、JNI_CreateJavaVM和JNI_GetCreatedJavaVMs这三个接口，并且分别保存在JniInvocation类的三个成员变量JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_、JNI_CreateJavaVM_和JNI_GetCreatedJavaVMs_中。这三个接口也就是前面我们提到的用来抽象Java虚拟机的三个接口。
& & & & 从这里就可以看出，JniInvocation类的成员函数init实际上就是根据系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib来初始化Dalvik虚拟机或者ART虚拟机环境。
& & & & 接下来我们继续看AndroidRutime类的成员函数startVm的实现：
& & & & &这个函数定义在文件frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp中。
& & & & &AndroidRutime类的成员函数startVm最主要就是调用函数JNI_CreateJavaVM来创建一个JavaVM接口及其对应的JNIEnv接口：
& & & & 这个函数定义在文件libnativehelper/JniInvocation.cpp中。
& & & & JniInvocation类的静态成员函数GetJniInvocation返回的便是前面所创建的JniInvocation实例。有了这个JniInvocation实例之后，就继续调用它的成员函数JNI_CreateJavaVM来创建一个JavaVM接口及其对应的JNIEnv接口：
& & & &&这个函数定义在文件libnativehelper/JniInvocation.cpp中。
& & & &&JniInvocation类的成员变量JNI_CreateJavaVM_指向的就是前面所加载的libdvm.so或者libart.so所导出的函数JNI_CreateJavaVM，因此，JniInvocation类的成员函数JNI_CreateJavaVM返回的JavaVM接口指向的要么是Dalvik虚拟机，要么是ART虚拟机。
& & & & 通过上面的分析，我们就很容易知道，Android系统通过将ART运行时抽象成一个Java虚拟机，以及通过系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib和一个适配层JniInvocation，就可以无缝地将Dalvik虚拟机替换为ART运行时。这个替换过程设计非常巧妙，因为涉及到的代码修改是非常少的。
& & & & 以上就是ART虚拟机的启动过程，接下来我们再分析应用程序在安装过程中将dex字节码翻译为本地机器码的过程。
& & & & &Android应用程序的安装过程可以参考这篇文章。&简单来说，就是Android系统通过PackageManagerService来安装APK，在安装的过程，PackageManagerService会通过另外一个类Instalerl的成员函数dexopt来对APK里面的dex字节码进行优化：
& & & & &这个函数定义在文件frameworks/base/services/java/com/android/server/pm/Installer.java中。
& & & & &Installer通过socket向守护进程installd发送一个dexopt请求，这个请求是由installd里面的函数dexopt来处理的：
& & & & &这个函数定义在文件frameworks/native/cmds/installd/commands.c中。
& & & & &函数dexopt首先是读取系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib的值，接着在/data/dalvik-cache目录中创建一个odex文件。这个odex文件就是作为dex文件优化后的输出文件。再接下来，函数dexopt通过fork来创建一个子进程。如果系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib的值等于libdvm.so，那么该子进程就会调用函数run_dexopt来将dex文件优化成odex文件。另一方面，如果系统属性persist.sys.dalvik.vm.lib的值等于libart.so，那么该子进程就会调用函数run_dex2oat来将dex文件优化成oart文件，实际上就是将dex字节码翻译成本地机器码，并且保存在一个oat文件中。
& & & & 函数run_dexopt和run_dex2oat的实现如下所示：
& & & & &这两个函数定义在文件frameworks/native/cmds/installd/commands.c中。
& & & & &这从里就可以看出，函数run_dexopt通过调用/system/bin/dexopt来对dex字节码进行优化，而函数run_dex2oat通过调用/system/bin/dex2oat来将dex字节码翻译成本地机器码。注意，无论是对dex字节码进行优化，还是将dex字节码翻译成本地机器码，最终得到的结果都是保存在相同名称的一个odex文件里面的，但是前者对应的是一个dexy文件（表示这是一个优化过的dex），后者对应的是一个oat文件（实际上是一个自定义的elf文件，里面包含的都是本地机器指令）。通过这种方式，原来任何通过绝对路径引用了该odex文件的代码就都不需要修改了。
& & & & 通过上面的分析，我们就很容易知道，只需要将dex文件的优化过程替换成dex文件翻译成本地机器码的过程，就可以轻松地在应用安装过程，无缝地将Dalvik虚拟机替换成ART运行时。
& & & & 最后，还有一个地方需要注意的是，应用程序的安装发生在两个时机，第一个时机是系统启动的时候，第二个时机系统启动完成后用户自行安装的时候。在第一个时机中，系统除了会对/system/app和/data/app目录下的所有APK进行dex字节码到本地机器码的翻译之外，还会对/system/framework目录下的APK或者JAR文件，以及这些APK所引用的外部JAR，进行dex字节码到本地机器码的翻译。这样就可以保证除了应用之外，系统中使用Java来开发的系统服务，也会统一地从dex字节码翻译成本地机器码。也就是说，将Android系统中的Dalvik虚拟机替换成ART运行时之后，系统中的代码都是由ART运行时来执行的了，这时候就不会对Dalvik虚拟机产生任何的依赖。
& & & & 至此，我们就分析完成ART运行时无缝替换Dalvik虚拟机的过程了，更多的干货分享衣关注老罗的新浪微博：。
参考知识库
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