NDK 系列（6）：说一下注册 JNI 函数的方式和时机

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前言

在上一篇文章中，我们提到了注册 JNI 函数（建立 Java native 方法和 JNI 函数的映射关系）有两种方式：静态注册和动态注册。今天我们来详细说下这 2 种注册方式的使用方法和实现原理。

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这篇文章是 NDK 系列文章第 6 篇，专栏文章列表：

一、语言基础：

• 1、NDK 学习路线：怎么学 & 我的经验
• 2、C 语言基础
• 3、C ++ 语言基础
• 4、C/C++ 编译过程：从源码到程序运行

二、NDK 开发：

• 1、JNI 基础：Java 与 Native 交互
• 2、注册 JNI 函数：静态注册 & 动态注册（本文）
• 3、NDK 基础：ndk-build & CMake
• 4、so 文件加载过程分析：理解 Android 中 loadLibrary() 的执行流程
• 5、so 文件适配 64 位架构：Gradle 插件一键检索未适配项
• 6、so 文件动态化：动态下载
• 7、so 文件体积优化：文件精简

三、基础理论

• 1、视频基础理论
• 2、音频基础理论
• 3、H.264 视频压缩编码
• 4、音频压缩编码
• 5、FFMPEG 基础
• 6、OPENSL ES 基础
• 7、PNG 图片：无损压缩编码

四、计算机基础

• 1、字符编码：ASCII、Unicode、UTF-8、UTF-16、UTF-32

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1. 静态注册 JNI 函数

1.1 静态注册使用方法

静态注册采用的是基于「约定」的命名规则，通过 javah 可以自动生成 native 方法对应的函数声明（IDE 会智能生成，不需要手动执行命令）。例如：

HelloWorld.java

package com.xurui.hellojni;

public class HelloWorld {
    public native void sayHi();
}

执行命令：javac -h . HelloWorld.java（将 javac 和 javah 合并），对应的 JNI 函数：

com_xurui_hellojni_HelloWorld.h

...
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_xurui_hellojni_HelloWorld_sayHi
(JNIEnv *, jobject);
...

静态注册的命名规则分为「无重载」和「有重载」2 种情况：无重载时采用「短名称」规则，有重载时采用「长名称」规则。

• 短名称规则（short name）：Java_[类的全限定名 (带下划线)]_[方法名] ，其中类的全限定名中的 . 改为 _ ；
• 长名称规则（long name）： 在短名称的基础上后追加两个下划线（ __）和参数描述符，以区分函数重载。

这里解释下为什么有重载的时候要拼接参数描述符的方式来呢？因为 C 语言是没有函数重载的，无法根据参数来区分函数重载，所以才需要拼接后缀来消除重载。

1.2 静态注册原理分析

现在，我们来分析下静态注册匹配 JNI 函数的执行过程。由于没有找到直接相关的资料和函数调用入口，我是以 loadLibrary() 加载 so 库的执行流程为线索进行分析的，最终定位到 FindNativeMethod() 这个方法，从内容看应该没错。

java_vm_ext.cc

// 共享库列表
std::unique_ptr<Libraries> libraries_;

// 搜索 native 对应 JNI 函数的函数指针
void* FindNativeMethod(Thread* self, ArtMethod* m, std::string& detail) {

    // 1、获取 native 方法对应的短名称与长名称
    std::string jni_short_name(m->JniShortName());
    std::string jni_long_name(m->JniLongName());

    // 2、在已经加载的 so 库中搜索
    void* native_code = FindNativeMethodInternal(self,
                                                 declaring_class_loader_allocator,
                                                 shorty,
                                                 jni_short_name,
                                                 jni_long_name);
    return native_code;
}

// 2、在已经加载的 so 库中搜索
void* FindNativeMethodInternal(Thread* self,
                               void* declaring_class_loader_allocator,
                               const char* shorty,
                               const std::string& jni_short_name,
                               const std::string& jni_long_name) {
    for (const auto& lib : libraries_) {
        SharedLibrary* const library = lib.second;

        // 2.1 检查是否为相同 ClassLoader
        if (library->GetClassLoaderAllocator() != declaring_class_loader_allocator) {
            continue;
        }

        // 2.2 先搜索短名称
        const char* arg_shorty = library->NeedsNativeBridge() ? shorty : nullptr;
        void* fn = dlsym(library, jni_short_name)

        // 2.3 再搜索长名称
        if (fn == nullptr) {
            fn = dlsym(library, jni_long_name)
        }
        if (fn != nullptr) {
            return fn;
        }
    }
    return nullptr;
}

art_method.cc

// 1、获取 native 方法对应的短名称与长名称

// 短名称
std::string ArtMethod::JniShortName() {
    return GetJniShortName(GetDeclaringClassDescriptor(), GetName());
}

// 长名称
std::string ArtMethod::JniLongName() {
    std::string long_name;
    long_name += JniShortName();
    long_name += "__";

    std::string signature(GetSignature().ToString());
    signature.erase(0, 1);
    signature.erase(signature.begin() + signature.find(')'), signature.end());

    long_name += MangleForJni(signature);

    return long_name;
}

descriptors_names.cc

std::string GetJniShortName(const std::string& class_descriptor, const std::string& method) {
    // 此处为短名称的计算逻辑
}

上面的代码已经非常简化了，主要流程如下：

• 1、计算 native 方法的短名称和长名称；
• 2、确定定义 native 方法类的类加载器，在已经加载的 so 库 libraries_ 中搜索 JNI 函数。如果事先没有加载 so 库，则自然无法搜索到，将抛出 UnsatisfiedLinkError 异常；
• 3、建立内部数据结构，建立 Java native 方法与 JNI 函数的函数指针的映射关系；
• 4、后续调用 native 方法，则直接调用已记录的函数指针。

关于加载 so 库的流程在 4、so 文件加载过程分析 这篇文章里讲过，加载后的共享库就是存储在 libraries_ 表中。

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2. 动态注册 JNI 函数

静态注册是在首次调用 Java native 方法时搜索对应的 JNI 函数，而动态注册则是提前手动建立映射关系，并且不需要遵守静态注册的 JNI 函数命名规则。

2.1 动态注册使用方法

动态注册需要使用 RegisterNatives(...) 函数，其定义在 jni.h 文件中：

jni.h

struct JNINativeInterface {
  // 注册
  // 参数二：Java Class 对象的表示
  // 参数三：JNINativeMethod 结构体数组
  // 参数四：JNINativeMethod 结构体数组长度
  jint        (*RegisterNatives)(JNIEnv*, jclass, const JNINativeMethod*, jint);
  // 注销
  // 参数二：Java Class 对象的表示
    jint        (*UnregisterNatives)(JNIEnv*, jclass);
};

typedef struct {
    const char* name;      // Java 方法名
    const char* signature; // Java 方法描述符
    void*       fnPtr;     // JNI 函数指针
} JNINativeMethod;

示例程序

// 需要注册的 Java 层类名
#define JNIREG_CLASS "com/xurui/MainActivity"

// JNINativeMethod 结构体数组
static JNINativeMethod gmethod[] = {
        {"onStart","()I",(void*)onStart}, // JNINativeMethod 结构体
};

// 加载 so 库的回调
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
    JNIEnv* env = NULL;
    jint result = -1;

    if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        return -1;
    }
    assert(env != NULL);

  // 执行动态注册
    if (!registerNatives(env)) {
        return -1;
    }

    result = JNI_VERSION_1_6;

    return result;
}

// 动态注册
static int registerNatives(JNIEnv* env)
{
  // 调用工具方法完成注册
    if (!registerNativeMethods(env,JNIREG_CLASS, gmethod, sizeof(gmethod) / sizeof(gmethod[0])))
        return JNI_FALSE;

  // JNINativeMethod 结构体数组
    JNINativeMethod methods[] = {
            {"onStop","()V",(void*)onStop}, // JNINativeMethod 结构体
    };
  // 调用工具方法完成注册
    if (!registerNativeMethods(env,JNIREG_CLASS, smethod,sizeof(smethod) / sizeof(smethod[0])))
        return JNI_FALSE;
    return JNI_TRUE;
}

// 一个工具方法
static int registerNativeMethods(JNIEnv* env, const char* className, JNINativeMethod* gmethod, int numMethods)
{
  // 根据类名获取 jclass 对象
    jclass clazz = env->FindClass(className);
    if (clazz == NULL) {
        return JNI_FALSE;
    }
  // 调用 RegisterNatives()
    if (env->RegisterNatives(clazz, gmethod, numMethods) < 0) {
        return JNI_FALSE;
    }

    return JNI_TRUE;
}

代码不复杂，简单解释一下：

• 1、 registerNativeMethods 只是一个工具函数，简化了 FindClass 这一步；
• 2、 methods 是一个 JNINativeMethod 结构体数组，定义了 Java native 方法与 JNI 函数的映射关系，需要记录 Java 方法名、Java 方法描述符、JNI 函数指针；
• 3、 RegisterNatives 函数是最终的注册函数，需要传递 jclass、JNINativeMethod 结构体数组和数组长度。

2.2 动态注册原理分析

RegisterNatives 方式的本质是直接通过结构体指定映射关系，而不是等到调用 native 方法时搜索 JNI 函数指针，因此动态注册的 native 方法调用效率更高。此外，还能减少生成 so 库文件中导出符号的数量，则能够优化 so 库文件的体积。更多信息见 Android 对 so 体积优化的探索与实践 中 “精简动态符号表” 章节。

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3. 注册 JNI 函数的时机

总结一下注册 JNI 函数的时机，主要分为 3 种：

注册时机	注册方式	描述
1、在第一次调用该 native 方法时	静态注册	虚拟机会在 JNI 函数库中搜索函数指针并记录下来，后续调用不需要重复搜索
2、加载 so 库时	动态注册	加载 so 库时会自动回调 JNI_OnLoad 函数，在其中调用 RegisterNatives 注册
3、提前注册	动态注册	在加载 so 库后，调用该 native 方法前，通过静态注册的 native 函数触发 RegisterNatives 注册。例如在 App 启动时，很多系统源码会提前做一次注册

以 Android 虚拟机源码为例：在 App 进程启动流程中，在创建虚拟机后会执行一次 JNI 函数注册。我们在很多 Framework 源码中可以看到 native 方法，但找不到调用 System.loadLibrary(...) 的地方，其实是因为在虚拟机启动时就已经注册完成了。

AndroidRuntime.cpp

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote) {
    ...
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\\n");
    }
    ...
}

// start -> startReg：
int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env) {
    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
    env->PushLocalFrame(200);
  // 执行 JNI 注册
    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
        env->PopLocalFrame(NULL);
        return -1;
    }
    env->PopLocalFrame(NULL);
    return 0;
}

// startReg->register_jni_procs：
static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env) {
  // 遍历二维数组
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
        // 执行 JNI 注册
        if (array[i].mProc(env) < 0) {
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

// JNINativeMethod 结构体数组的二维数组
static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit),
    REG_JNI(register_android_os_SystemClock),
    REG_JNI(register_android_util_EventLog),
    ...
}

struct RegJNIRec {
    int (*mProc)(JNIEnv*);
}

// 返回值为 JNINativeMethod 结构体数组
int register_com_android_internal_os_RuntimeInit(JNIEnv* env)
{
    const JNINativeMethod methods[] = {
        { "nativeFinishInit", "()V",
            (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeFinishInit },
        { "nativeSetExitWithoutCleanup", "(Z)V",
            (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeSetExitWithoutCleanup },
    };
    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/internal/os/RuntimeInit",
        methods, NELEM(methods));
}

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4. 总结

总结一下静态注册和动态注册的区别：

• 1、静态注册基于命名约定建立映射关系，而动态注册通过 JNINativeMethod 结构体建立映射关系；
• 2、静态注册在首次调用该 native 方法搜索并建立映射关系，而动态注册会在调用该 native 方法前建立映射关系；
• 3、静态注册需要将所有 JNI 函数暴露到动态符号表，而动态注册不需要暴露到动态符号表，可以精简 so 文件体积。

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参考资料

• JNI 编程指南
• JNI 提示 —— Android 官方文档
• Java 原生接口规范 —— Java 官方文档
• Android 对 so 体积优化的探索与实践 —— 洪凯 常强（美团技术团队）著

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